المواد الميتامادية المطبوعة بالليزر أصبحت الآن أقوى وأكثر مرونة

اختراق MIT يجعل المواد الصلبة مرنة باستخدام الميتامواد

علوم المواد هي المجال الذي يهدف إلى فهم المواد بشكل أفضل على المستوى المجهري، وغالبًا الذري، من أجل تحسينها. الهدف الشائع هو جعل المادة أقوى من شكلها الكلاسيكي، سواء كانت فولاذًا أو زجاجًا أو سيراميكًا.

المواد الميتامادية تأخذ ذلك خطوةً إضافيةً، من خلال تغيير بنية المادة، مما يمنحها خصائص مختلفة عن خصائص المواد الأساسية التي تُصنع منها. غالبًا ما يتحقق ذلك بإنشاء أنماط متكررة ذات شكل ودقة هندسية وحجم واتجاه محدد، إلخ.

المصدر: MIT

هنا أيضًا، ركز معظم الأبحاث التي أُجريت على جعل المنتج النهائي أقوى من مكوّنه الأساسي، مع إمكانية إنتاج صلب فائق، ألياف كربونية، حرير، وغيرها من المواد التي يمكن استخدامها في دروع الجسم، البناء، أو مشاريع مستقبلية مثل المصاعد الفضائية.

يتم الآن اختراع نوع جديد من الميتامواد، يجعل العناصر الصلبة والصلبة عادةً مرنة. تم اكتشاف هذا من قبل باحثي MIT ونُشر في مجلة Nature Materials¹ تحت عنوان “المواد الميتامادية المستوحاة من الشبكة المزدوجة”.

كيف تتفوق الميتامواد على المواد التقليدية

إن إنشاء هياكل دقيقة منتظمة بطريقة مُتحكم فيها يمكن أن يؤدي إلى تحسين أداء المادة مقارنةً بمكوّنها الأساسي. يمكن أن يتأثر ذلك بالعديد من الخصائص المختلفة، مثل الكهرومغناطيسية، الصوتية، قوة الهيكل، الحرارية، إلخ.

عمومًا، يأتي ذلك كقيمة مقابل. على سبيل المثال، المواد الأقوى عادةً ما تصبح أكثر صلابة، مما قد يقلل من استخدامها العملي.

لذلك، يُعد ما يفعله باحثو MIT نوعًا من الثورة، حيث يخلطون الأساليب، مما يجعل المادة أكثر صلابة وقوة، وفي الوقت نفسه أكثر مرونة.

“أدركنا أن مجال الميتامواد لم يحاول حقًا إحداث تأثير في مجال المواد اللينة.

حتى الآن، كنا جميعًا نبحث عن أكثر المواد صلابة وقوة ممكنة.”

Carlos Portela – أستاذ مشارك في MIT.

أقوى وأكثر مرونة: حل مفارقة الميتامادة

حتى الآن، تُصنع معظم الميتامواد باستخدام طريقة مشابهة للطباعة ثلاثية الأبعاد، تُنتج دعائم وهياكل دقيقة.

المصدر: ETH Zurich

بدلاً من ذلك، طور باحثو MIT بنية من النوابض المتشابكة أو اللفائف، أكثر مرونة بطبيعتها.

في تجربتهم الأولية، استخدموا مادة تشبه البليكسيغلاس، التي يجب أن تكون صلبة جدًا، وجمعوها “بطريقة عادية”. عندما تم نسجها في ميتامادة، أصبحت ناعمة ومرنة مثل المطاط.

“نحن نفتح هذه المنطقة الجديدة للميتامواد.

يمكنك طباعة معدن أو سيراميك بشبكة مزدوجة، وستحصل على الكثير من هذه الفوائد، حيث سيستغرق كسرها طاقة أكبر، وستكون أكثر قابلية للتمدد بشكل ملحوظ.”

Carlos Portela – أستاذ مشارك في MIT.

كان هذا بداية جيدة، حيث يمكنه استخدام مواد قوية وجعلها ناعمة ومرنة. ومع ذلك، كان النجاح كبيرًا جدًا، فبالرغم من أن المادة كانت قابلة للتمدد، إلا أنها كانت “قليلاً جدًا ناعمة ومتوافقة”.

تصميم مستوحى من الهلام المائي يعزز المرونة والمتانة

مادة استثنائية أخرى هي الهلام المائي، وهو مركب ناعم وقابل للتمدد يشبه الجيلي، يتكون في الغالب من الماء وقليل من بنية البوليمر. بعض الهلام المائي طبيعي، مثل الجيلاتين على سبيل المثال.

لقد وجد باحثو MIT بالفعل طرقًا لجعل الهلام المائي أكثر صلابة، مع الحفاظ على قدراته الناعمة والقابلة للتمدد. يفعلون ذلك بدمج شبكات بوليمر متعددة ذات خصائص مختلفة جدًا، مثل شبكة من الجزيئات تكون صلبة بطبيعتها وأخرى تكون ناعمة بطبيعتها.

لذا قام الباحثون بتكييف هذا المفهوم مع ميتامادة البليكسيغلاس الخاصة بهم. خلطوا ميتامادة كلاسيكية صلبة وقوية باستخدام هيكل شبكي من الدعائم والهياكل، مع نمط من اللفائف التي تنسج حول كل دعامة وهيكل.

تم تصنيع كلتا شبكتي المادة في نفس الوقت، باستخدام تقنية طباعة بالليزر عالية الدقة تُسمى الليثوغرافيا ذات الفوتونين.

المصدر: LiqCreate

كيف تؤدي الميتامواد ذات الشبكة المزدوجة في أي مقياس

تم اختبار الميتامادة ذات الشبكة المزدوجة التي تم اختراعها حديثًا بأحجام مختلفة. تم صنع بعض العينات بمقاس عدة ميكرون مربع، وبعضها حتى عدة مليمتر مربع.

ثم قاموا بقياس القوة والمرونة الناتجة باستخدام كاميرات عالية السرعة عند دفع المادة إلى حدودها.

المصدر: MIT

ثبت أن الشبكة المزدوجة قادرة على التمدد إلى ثلاثة أضعاف طولها، وهو ما يعادل عشرة أضعاف ما يمكن لمادة ميتامادية نمطية ذات شبكة تقليدية.

“تخيل هذه الشبكة المنسوجة كفوضى من السباغيتي المتشابكة حول شبكة. عندما نكسر شبكة الشبكة الأحادية، تتبعها تلك الأجزاء المكسورة، وتتشابك كل هذه السباغيتي مع قطع الشبكة.

هذا يعزز المزيد من التشابك بين الألياف المنسوجة، مما يعني وجود احتكاك أكبر وتشتت طاقة أكبر.

إن انتشار الطاقة هذا هو العامل الرئيسي في مرونة الميتامادة، حيث من غير المرجح أن يتسرب الشق الأول مباشرةً ويمزق المادة بسرعة.

كيف تجعل العيوب الاستراتيجية الميتامواد أكثر صلابة

على عكس الحدس، اكتشفوا أيضًا أنه من الممكن جعلها أقوى عن طريق حفر ثقوب في الشبكة.

تسمح هذه العيوب بمزيد من تشتت الطاقة وتزيد من صمود المنتج النهائي بشكل عام.

“قد تعتقد أن هذا يجعل المادة أسوأ. لكننا رأينا أنه بمجرد أن بدأنا في إضافة العيوب، تضاعف مقدار التمدد الذي كنا قادرين على تحقيقه، وتضاعف ثلاث مرات مقدار الطاقة التي تم تشتتها.

هذا يمنحنا مادة تكون صلبة ومتين في آن واحد، وهو عادةً تناقض.

James Utama Surjadi – طالب ما بعد الدكتوراه في MIT

سمح هذا لفريق البحث بتطوير إطار نظري لتوقع سلوك هذه الميتامواد بشكل أفضل.

استخدامات واقعية للميتامواد المرنة من MIT

سيكون مثل هذا المخطط مفيدًا في تصميم أقمشة ومنسوجات مقاومة للتمزق.

يمكن أيضًا أن تستفيد من هذه التقنية أشباه الموصلات المرنة، وتغليف الرقائق الإلكترونية، والهياكل الداعمة المتينة ولكن المتوافقة التي تُستخدم لنمو الخلايا لإصلاح الأنسجة.

خيار آخر هو تطبيق مفهوم خلط الميتامواد المختلفة معًا (الدعائم والهياكل مع اللفائف) على المواد الهشة حاليًا. يمكن أن يمنحها مزيدًا من المرونة والصلابة في آن واحد.

يمكن استخدام الفكرة نفسها لإضافة مواصفات جديدة إلى المواد الحالية، على سبيل المثال، جعلها تتفاعل طبيعيًا مع بيئتها.

“حتى الآن تحدثنا عن الخصائص الميكانيكية، لكن ماذا لو استطعنا أيضًا جعلها موصلة أو مستجيبة للحرارة؟

لهذا، يمكن أن تُصنع الشبكتان من بوليمرات مختلفة تستجيب للحرارة بطرق مختلفة، بحيث يمكن للقطعة أن تفتح مسامها أو تصبح أكثر مرونة عندما تكون دافئة وتصبح أكثر صلابة عندما تكون باردة.

الاستثمار في مستقبل الميتامواد التجارية

DuPont

تُعد DuPont شركة كيميائية ضخمة تمتلك العديد من المواد الكيميائية ذات العلامات التجارية المهمة، مثل Kevlar، Styrofoam، Nomex (حماية من الحرائق)، Great Stuff (لاصق بناء)، وغيرها. قد يضعها بحثها المتقدم في البوليمرات وعلاماتها التجارية للمواد الوقائية في موقع يمكنها من الاستفادة من تقنيات الميتامواد ذات الشبكة المزدوجة.

تُعد DuPont شركة قديمة ذات تاريخ معقد من الاستحواذات، ومؤخرًا سلسلة من الانفصالات.

المصدر: DuPont

هذه الانفصالات قد فصلت عن DuPont أقسام التغذية والعلوم الحيوية، وتم بيعها جزئيًا إلى Corteva Biosciences (CTVA ), منتجات التيتانيوم التي شكلت شركة Chemours (CC ), والتنقل.

ستنفصل أيضًا عن أعمالها في المواد الكيميائية الإلكترونية في نوفمبر 2025, لكنها ستحافظ على قطاع المياه (الأغشية والمرشحات لتنقية المياه وإزالة الملوحة), على عكس الخطط السابقة.

المصدر: DuPont

سيجعل هذا من DuPont شركة أكثر تركيزًا، مع نشاط أساسي في البوليمرات المتقدمة لتنقية المياه ومعدات الحماية، بالإضافة إلى مواد متقدمة للفضاء، والرعاية الصحية، والمركبات الكهربائية.

المصدر: DuPont

تُعد DuPont شركة دولية حقيقية، مع طلب عالٍ على المواد الكيميائية المتخصصة في تنقية المياه والتصنيع الصناعي.

القطاعات التي تخدمها مواد DuPont الكيميائية متنوعة أيضًا، بما في ذلك البناء، تنقية المياه، صناعة الإلكترونيات، السيارات، الفضاء، الرعاية الصحية، الطاقة الخضراء، والإنتاج الصناعي.

المصدر: DuPont

إن الوجود القوي لشركة DuPont في معدات الحماية والموقع الراسخ لعلامة Kevlar، وهو بوليمر عالي الأداء، يجب أن يساعدها على تكييف أشكال جديدة من الميتامواد إلى منتجات تجارية.

على أي حال، مع نمو التقنيات الجديدة، وكذلك استهلاك المياه، يزداد الطلب على المواد الكيميائية المتقدمة التي تنتجها DuPont.

أحدث الأخبار عن Dupont

الدراسات المشار إليها:

^{1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) المواد الميتامادية المستوحاة من الشبكة المزدوجة. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5}