الزجاج المقاوم للصدمات على وشك إحداث ثورة في السوق

Impact-proof glass could be the next big step in safety, electronics, construction, and more. A team of researchers led by engineers from Tohoku University has introduced a study demonstrating a method to make impact-proof glass. This super durable material functions on a molecular level, enabling more resistance to shatter. Here’s everything you need to know about impact-proof glass and how it could revolutionize multiple industries moving forward.

كيف ينكسر الزجاج

لفهم الطبيعة الضخمة لهذا البحث بالكامل، تحتاج إلى معرفة كيفية انكسار الزجاج التقليدي. عندما يفكر معظم الناس في تحطم الزجاج، يتخيلون قوة الصدم. يضرب جسم صلب أو سريع الحركة الزجاج ويتسبب في انكساره في المناطق الأضعف من المادة. هذا هو النوع الأكثر شيوعًا من الانكسار وهو أيضًا من أكثر الأنواع خطورة لأنه يمكن أن ينتج شظايا زجاج حادة تنطلق في جميع أنحاء المنطقة.

الضغط الحراري

سبب آخر لانكسار الزجاج هو الاختلافات الحرارية. يجب تصنيع الزجاج بطريقة محددة للتعامل مع الديناميكيات الحرارية بشكل صحيح. إذا لم يحدث ذلك، قد يسخن المادة وحتى يذوب تحت الظروف المناسبة، مثل عودة المركبة الفضائية إلى الغلاف الجوي.
سبب آخر للانكسار الحراري يحدث بسبب تراكم طبقة متبقية على السطح، مما يؤدي إلى تسخين غير متساوٍ للزجاج. عندما يتم تسخين أو تجميد منطقة محددة فقط من قطعة الزجاج، يمكن أن يؤدي ذلك إلى تشوه وانكسار نهائي تحت الظروف المناسبة.

الانحناء

الانحناءات والالتواءات أكثر شيوعًا في سيناريوهات البناء. يجب على البنائين أخذ حركة هياكلهم في الرياح تحت ظروف جوية ودرجات حرارة مختلفة في الاعتبار. قد ينكسر نافذة مركبة بشكل غير صحيح أو مصممة بشكل خاطئ فجأة تحت قوة الالتواء للمبنى أثناء عاصفة رياح قوية أو زلزال.

عملية التصنيع الداخلية

الطريقة الأخيرة التي ينكسر بها الزجاج هي بسبب عملية تصنيع داخلية معيبة. هناك العديد من أنواع الزجاج المختلفة، كل منها يتطلب خليطًا خاصًا لضمان جودته. إذا تم خلط زجاج بطريقة غير صحيحة أثناء عملية تصنيعه، قد ينتج عن ذلك إجهاد داخلي. هذا الإجهاد سيؤدي إلى ضعف المواد تحت سيناريوهات معينة.
أصبح هذا النوع من الانكسار أكثر شيوعًا بسبب إنشاء مواد زجاجية مركبة أكثر تعقيدًا مثل الزجاج المصفح والمقوى. في بعض الحالات، سيؤدي الخليط إلى أن يصبح الزجاج ضعيفًا في جزء معين بسبب تركيبه الكيميائي بدلاً من القوى الخارجية. هذا شائع عندما تُطبق القوى الحرارية.

انكسار الزجاج يختلف باختلاف الأنواع

لقد أدرك الباحثون منذ زمن طويل أهمية هندسة زجاج يمكنه تحمل البيئة التي صُمم للعمل فيها. وبالتالي، هناك الآن العديد من أنواع الزجاج المتاحة لتلبية الأدوار المتعددة التي يقوم بها.

الزجاج الملدن

الزجاج الملدن هو النوع الأكثر شيوعًا المستخدم اليوم. تصميمه هو الأقدم ويتحطم كما هو متوقع، مكونًا قطعًا كبيرة حادة ومتعرجة. شهد الزجاج الملدن انخفاضًا في الاستخدام في الوقت الحالي بسبب البدائل الأكثر أمانًا. ومع ذلك، لا يزال أسهل وأرخص وأكثر أنواع الزجاج إنتاجًا اليوم.

الزجاج المقوى

الزجاج المقوى هو نوع خاص من الخليط يضمن أن يتحطم الزجاج إلى قطع أصغر. يُعتبر هذا النوع من الزجاج أكثر أمانًا من الزجاج التقليدي لأن الشظايا قد تسبب إصابات حيث يمكن أن تعمل كالسكاكين الطائرة عند تحطمها. القطع الصغيرة من الزجاج المكسور تعني فرصة أقل لحدوث جروح قطعية كبيرة.

الزجاج المصفح

الزجاج المصفح يأخذ مفهوم الزجاج المقوى خطوة إلى الأمام. يعتمد هذا النوع من الزجاج على عدة طبقات مع قطعة رقيقة من البلاستيك الشفاف بينها. يتيح هذا التكوين للزجاج أن يصبح مقاومًا للتحطم. يحتفظ البلاستيك بالزجاج المتحطم معًا، مما يمنع انطلاق قطع كبيرة إلى داخل المركبة أو الغرفة.

فهم جديد للزجاج

على مدى قرون، غاص الباحثون في طرق تحسين متانة الزجاج وتقليل أضرار التحطم. حتى وقت قريب، كانت معظم هذه الدراسات تقتصر على تجارب وتطورات الكيمياء وعلوم المواد. ومع ذلك، فإن هذه الدراسة الأخيرة هي الأولى التي تتعمق في انكسار الزجاج على المستوى الجزيئي العميق.
أراد الباحثون اكتساب فهم جديد لما يحدث عندما تنفصل جزيئات الزجاج. حتى وقت قريب، لم تكن هناك أي أدوات أو معدات بصرية لإجراء دراسة على هذا المستوى. على وجه التحديد، يحتاج الباحثون إلى القدرة على مراقبة جزيئات الزجاج أثناء تحركها في أطر زمنية نانوية.

دراسة الزجاج المقاوم للصدمات

ورقة البحث¹، التي نُشرت في مجلة Acta Materialia، تتعمق في عملية جوهاري–غولدستين (JG) على المستوى الذري. تم إنشاء عملية جوهاري–غولدستين (JG) في عام 1969 لوصف سلوك الجزيئات للمواد الزجاجية تحت ظروف معينة. في الأصل، استُخدمت لتفسير انصهار الزجاج، ولكن على مر العقود، تم استخدامها لوصف العديد من تغيرات حالة الزجاج.
استخدم الباحثون هذه النظرية إلى جانب نموذج حاسوبي مخصص ومراقبة على المستوى الجزيئي للذرات لتحديد ما يحدث بالضبط عند نقطة انكسار الزجاج. ما وجدوه هو أن الذرات داخل الزجاج ستقفز إلى مواقع جديدة تحت ضغط الصدمة أو الإجهاد.

ثم ستتدفق الذرات المحيطة إلى الفراغ المفتوح حديثًا، مملوءة الفراغ ومساعدة في تخفيف بعض الإجهاد عن القطع غير المتكسرة. على وجه التحديد، تمكن الفريق من اكتشاف حركات ذرية في نموذج أيوني زجاجي شبه كروي Ca0.4K0.6(NO3).

نمذجة حركة الذرات

سمح المحاكاة الحاسوبية للفريق بتوسيع تجاربهم عبر مجموعة واسعة من العوامل. كانوا قادرين على تعديل معلمات مختلفة مثل الانحناء، درجة الحرارة، وقوة الصدمة. أنتجت النماذج نتائج موثوقة عززت فهم الفريق لأسباب انكسار الزجاج بهذه الطريقة.

اختبار الزجاج المقاوم للصدمات

شمل اختبار النظرية مراقبة حركة الذرات باستخدام تداخل الأشعة السينية في المجال الزمني. سمح هذا النهج بمراقبة الذرات على إطار زمني نانوسي، مما مكن الفريق من إجراء ومراقبة وتسجيل البيانات من تجارب إشعاع السنكروترون المتنوعة.

محاكاة حاسوبية للزجاج المقاوم للصدمات

أحد الجوانب الفريدة في هذا البحث كان استخدام المحاكاة الحاسوبية. سجل الفريق البيانات التي جمعوها خلال تجارب الإشعاع واستخدموا تلك المعلومات لإنشاء محاكاة حاسوبية. سمحت محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) للفريق بتحسين اختباراتهم إلى مستويات جديدة مع الحفاظ على انخفاض تكلفة البحث.

نتائج الزجاج المقاوم للصدمات

كانت نتائج دراسة الفريق مدهشة. اكتشفوا أن أغلب جزيئات الزجاج كانت خاضعة لحركات على مقياس الأنغستروم في نطاق الزمن النانوي. سمحت هذه المعلومات لهم بتحديد أنه بإمكانهم تحسين القفزات الذرية والحركة الجماعية للذرات بطريقة تؤدي إلى مواد أكثر صلابة. في المستقبل، يمكنهم استخدام هذه البيانات لإنشاء زجاج يتمتع بقوة جزيئية إضافية في نقاط الانحناء، مما يمنع الفشل الكارثي.

فوائد الزجاج المقاوم للصدمات

هناك العديد من الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة لصناعة الزجاج. أولاً، ستحسن السلامة بشكل عام. سيستفيد الزجاج الآمن، نوافذ المركبات، محطات المراقبة، وحتى الأدوات والإلكترونيات من بدائل زجاج أكثر متانة وأمانًا.
قد يتيح الزجاج المقاوم للصدمات للباحثين صنع زجاج ينكسر بنماذج محددة أيضًا. سيسمح هذا النوع من الانكسار المتعمد لهم بتقليل الشظايا الخطرة في السيناريوهات التي تحتاج إلى تحرير ضغط معين. فكر في طريقة انكسار بسكويت الملح على الخطوط المتقطعة.
هذه التقنية مستخدمة بالفعل في مواد بناء أخرى. على سبيل المثال، يحتوي رصيفك على خطوط محددة مصممة لتتشقق عندما يصل ضغط حركة الأرض مقابل الخرسانة إلى نقطتها الحرجة. يتيح هذا النهج للمهندسين توقع الانكسارات مسبقًا ووضعها بطريقة منظمة. يمكن استخدام نفس النهج لهياكل الزجاج، مما يعزز السلامة أكثر.

معايير جديدة للزجاج المقاوم للصدمات

فائدة أخرى لا ينبغي إغفالها هي هدف الفريق لإنشاء معايير سلامة جديدة للصناعة. بالفعل، جعل الزجاج المقوى والمصفح الحياة أكثر أمانًا لملايين الأشخاص. إنشاء إرشادات عامة لتصميم زجاج بمقاومة صدمات فائقة قد يفتح الباب لمستوى جديد من السلامة عبر آلاف الصناعات. كما سيسمح ذلك للمصنعين بإنتاج منتجات أفضل يمكن أن تخضع لمعايير سلامة أعلى.

الباحثون في الزجاج المقاوم للصدمات

قادت هذه الدراسة الأستاذة ماكينا سايتو وفريق من الباحثين في جامعة توهوكو. شاركت أيضًا جامعة كيوتو، جامعة شيماني، المعهد الوطني لعلوم المواد، ومعهد أبحاث إشعاع السنكروترون الياباني في هذه الدراسة الرائدة. الآن، يسعى هؤلاء الفرق لتوسيع أبحاثهم لإنشاء أقوى زجاج على الإطلاق.

التطبيقات

هناك العديد من الطرق التي يمكن من خلالها تطبيق الزجاج المقاوم للصدمات في العلوم الحالية. أولاً، يمكن أن يساعد في جعل أجهزتك الإلكترونية أكثر متانة. إذا سقط هاتفك وكسر الشاشة من قبل، فأنت تدرك مدى فائدة الزجاج المقاوم للصدمات لملايين الأشخاص على المستوى الشخصي.

البناء

ستستفيد صناعة البناء بشكل كبير من دمج الزجاج المقاوم للصدمات. يمكن لهذه المادة مساعدتهم في إنشاء مبانٍ أكثر مقاومة للأعاصير والدوامات. يمكن للزجاج المقاوم للصدمات الصمود أمام الرياح القوية والدرجات الحرارية القصوى، مما يوفر للمبنيين خيارات أكثر شمولًا وكفاءة.

العسكرية

استخدام آخر لهذه التقنية هو إنشاء زجاج مضاد للرصاص أكثر صلابة. تُظهر الصراعات العالمية المستمرة كيف أن الذخائر الصغيرة والشخصية تصبح أكثر ذكاءً. وبالتالي، أصبح من المهم أكثر توفير الحماية للجنود دون تقييد الوعي بالموقف. قد تؤدي هذه الأبحاث إلى زجاج مضاد للرصاص فائق المتانة يمكنه تحمل الضربات التي قد تتسبب في خسائر اليوم.

الشركات التي يمكن أن تستفيد من دراسة الزجاج المقاوم للصدمات

قائمة الشركات التي يمكن أن تستفيد من زجاج أكثر متانة ومقاوم للتحطم واسعة. من مصنعي المركبات إلى منتجي الإلكترونيات، الزجاج عنصر أساسي في أجهزة اليوم. وبالتالي، أي طريقة لتعزيز قوته، تقليل تكاليف تصنيعه، أو تحسين قدراته مرحب بها. إليكم شركة واحدة قد تدمج هذه التقنية لتحقيق مكاسب في المستقبل.

Corning Inc.

Corning Inc. (GLW ) هي واحدة من الرواد في إنتاج الزجاج الواقي والتقنيات المرتبطة بالزجاج. الشركة وراء علامة Gorilla Glass الواقية الشهيرة. تتخصص في البصريات المتقدمة، زجاج الشاشات، وغيرها من تقنيات الاتصالات البصرية.
Corning Inc. هي رائدة في الصناعة ذات وضع مالي قوي. تمتلك الشركة نظامًا بيئيًا واسعًا من الشركاء والمستثمرين والباحثين الذين يعملون معًا للحفاظ على موقع الشركة البارز. أعلنت الشركة مؤخرًا عن شراكة استراتيجية مع AT&T (T ) ، موسعةً اتفاقية شراء متعددة السنوات بين الكيانين.

Corning Inc. هي واحدة من الرواد في مجال البصريات المتقدمة. عملت مع قادة الصناعة لعدة عقود لتقديم حلول لمشكلات السوق المعقدة. اليوم، تُعَتَبر واحدة من أفضل مصنعي الزجاج في العالم.
GLW هو سهم ذكي للنظر فيه لعدة أسباب. أولاً، قامت Corning Inc. بعمليات استحواذ حكيمة في الماضي، بما في ذلك SpiderCloud في عام 2017، وSTRAN Technologies في عام 2016، وAllied Fiber Optic Products في عام 2016. كل من هذه الاستحواذات عززت قدرات الشركة وحسّنت قاعدة عملائها.

المستقبل

مستقبل الزجاج المقاوم للصدمات مشرق. قد تؤدي هذه التطورات إلى رحلات أكثر أمانًا، وسفرًا، وبصريات، وإلكترونيات، ومباني، وأكثر. يمكنك توقع أن يغوص الباحثون في استخدام هذه المادة لتقديم نظرة جديدة إلى العالم. من الغواصات الشفافة إلى المركبات الفضائية المصممة لتحمل حرارة الشمس، لدى الباحثين العديد من الخيارات للاستكشاف.

الزجاج المقاوم للصدمات سيحدث تأثيرًا.

من السهل أن نرى أن الزجاج الأكثر متانة سيؤدي إلى تقدمات رائعة عبر عدة قطاعات. يجب الإشادة بهذا الفريق البحثي لتقديمه طرقًا ونماذج جديدة تساعد الجميع على فهم ما يحدث ومتى يصل الزجاج إلى نقطة الانكسار. إزالة هذه العوامل يفتح الباب لمستقبل أكثر أمانًا وحيوية.
تعرف على التطورات الأخرى في علم المواد اليوم.

مرجع الدراسة:

^{1. Saito, M., Araki, T., Onodera, Y., Ohara, K., Seto, M., Yoda, Y., & Wakabayashi, Y. (2024). اكتشاف الحركات الجماعية غير القافزة التي تؤدي إلى عملية جوهاري–غولدستين لتخفيف الإجهاد في زجاج أيوني نموذجي. Acta Materialia, 262, 120536. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120536}