أثناء سيرك خارج المنزل في يوم شديد الحرارة، قد تتمنى أن تتمكن من تقليل الشعور بالحرارة عن طريق خلع بعض ملابسك، لكن هذا قد لا يتكرر مرة أخرى في المستقبل، لأن ملابسك نفسها قد تكون الحل يمنحك البرودة المطلوبة، وهو الإنجاز المهم الذي حققه الباحثون في المعهد الملكي للتكنولوجيا. وفي ملبورن بأستراليا، أعلنوا عن ذلك في مجلة “بوليمرات التكنولوجيا المتقدمة”.
أعلن الباحثون عن استخدام “الألماس النانوي” لإنشاء منسوجات ذكية يمكنها تبريد الأشخاص بشكل أسرع. ووجدوا أن النسيج المصنوع من المنسوجات المطلية بـ”الألماس النانوي” باستخدام طريقة تسمى “الغزل الكهربائي” يعطي انخفاضا في درجة الحرارة بمقدار 2-3 درجات مئوية مقارنة بالقطن. غير المعالجة، مما يمكن أن يساعد في تحقيق هدف “التكيف المناخي” لسكان المناطق الحارة الذين يعانون من ارتفاع الحرارة بسبب تغير المناخ.
“الألماس النانوي” عبارة عن جزيئات صغيرة من الماس بحجم نانومتر، ويتراوح حجمها عادة من 1 إلى 100 نانومتر. النانومتر هو جزء من مليار من المتر، مما يجعل الماس النانوي غير مرئي للعين المجردة.
تتكون هذه الماسات النانوية من نفس ذرات الكربون المرتبة في بنية شبكية بلورية مثل الماس الأكبر حجمًا. ومع ذلك، نظرًا لصغر حجمها، فإنها تظهر خصائص فريدة تختلف عن الماس الأكبر حجمًا، حيث تمتلك نسبًا عالية من مساحة السطح إلى الحجم، مما يمكن أن يعزز تفاعلها ويجعلها مفيدة في تطبيقات مختلفة، بما في ذلك المنسوجات.
وفي دراسات سابقة، حاولت فرق بحثية توظيف “ألماس النانو” في المنسوجات، لكن التقنيات المستخدمة في تطبيقها على المنسوجات -مثل الطلاء أو الرش أو التضمين- لم تكن عملية أو اقتصادية، كما أنها لم تحقق النتائج المرجوة. إلى حد كبير. ويزعم الباحثون أن الطريقة التي استخدموها في الدراسة الجديدة، جمعت بين الميزتين، وهما “الجدوى الاقتصادية” و”تحقيق تبريد أكبر”.
ما هو الغزل الكهربائي للألماس النانوي؟
الغزل الكهربائي هو عملية تستخدم لإنشاء ألياف صغيرة للغاية باستخدام مجال كهربائي. وهي تشبه صناعة حلوى القطن، ولكن بدلاً من استخدام السكر، يتم استخدام خليط سائل يحتوي على جزيئات صغيرة تسمى “الألماس النانوي”. وهذه هي خطوات تنفيذها:
التحضير: قم بوضع الخليط السائل في محقنة، تماماً مثل تلك التي يستخدمها الطبيب للحقن.
الغزل: يتم ربط إبرة بالمحقنة وتوضع بالقرب من سطح مستو مثل الطاولة.
الشحنة الكهربائية: يتم بعد ذلك تطبيق شحنة كهربائية خاصة على الخليط السائل عن طريق توصيله ببطارية أو مصدر طاقة، وتتسبب هذه الشحنة في تكوين السائل إلى خيوط رفيعة تشبه طريقة غزل العنكبوت شبكته.
التمدد: عندما يخرج السائل المشحون من الإبرة فإنه يتمدد ويتمدد، ويصبح أرق وأرق، مثل سحب قطعة من العلكة.
التصلب: مع تمدد الخيوط، يبدأ السائل بالجفاف، تاركًا وراءه أليافًا صلبة صغيرة مصنوعة من السائل الخاص والألماس النانوي. وكأن الماء يتبخر من بركة، ولا يترك وراءه سوى الأرض الجافة.
المجموعة : يتم جمع كل هذه الألياف الصغيرة على السطح المستوي لتشكل حصيرة ناعمة ورقيقة هي النسيج الخاص، مصنوعة من ألياف تشبه القطن ومملوءة بالألماس النانوي.
4 مزايا تعطيه ميزة
يبدو أن الغزل الكهربائي بهذه الطريقة يختلف عن الطرق الأخرى – مثل الطلاء أو الرش أو التضمين – مع أربع مزايا كشفت عنها الدراسة:
التوزيع الموحد: يسمح الغزل الكهربائي بالتحكم الدقيق في توزيع الماس النانوي داخل الألياف، مما يضمن التشتت الموحد في جميع أنحاء النسيج. يعزز هذا التوحيد فعالية خصائص التبريد والوظائف الأخرى المطلوبة.
التكامل المباشر: تقوم هذه العملية بدمجها مباشرة في مصفوفة البوليمر أثناء تكوين الألياف، مما يعني أنها تصبح جزءًا أساسيًا من النسيج، مما يوفر أداءً ثابتًا طوال عمر المادة.
الكفاءة وقابلية التوسع: يعتبر الغزل الكهربائي عملية قابلة للتطوير مقارنة بالطرق الأخرى، ويمكن تكييفها بسهولة للإنتاج على نطاق واسع، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات الصناعية والتسويق.
تعدد الاستخدامات: يتوافق الغزل الكهربائي مع مجموعة واسعة من البوليمرات والمواد المضافة، مما يسمح بالمرونة في اختيار المواد، ويتيح هذا التنوع إمكانية تصميم خصائص النسيج لتلبية متطلبات محددة، مثل التبريد والمتانة والراحة.
لماذا تم اختيار دايموند لمهمة التبريد؟
وقد تم اختيار الألماس خصيصاً لاستخدامه في الغزل الكهربائي ليقوم بوظيفة تبريد الجسم لخمس مزايا أشارت إليها في البيان الصحفي الصادر عن الجامعة وهي:
الموصلية الحرارية العالية: يتمتع الماس النانو بموصلية حرارية عالية للغاية، مما يعني أنه يمكنه نقل الحرارة بكفاءة من مكان إلى آخر، وعندما يتم دمجه في المنسوجات، يمكنه سحب الحرارة بسرعة بعيدًا عن الجسم على غرار الطريقة التي ينقل بها المعدن الحرارة بعيدًا عن الجسم. سطح ساخن.
مساحة سطح محسنة: تتمتع الماسات النانوية بمساحة سطحية كبيرة نسبة إلى حجمها نظرًا لصغر حجمها ونسبة السطح إلى الحجم العالية، وتسمح مساحة السطح المتزايدة هذه بتلامس أكثر فعالية مع الجلد، مما يزيد من نقل حرارة الجسم إلى القماش.
تبديد الحرارة: بمجرد أن يمتص الألماس النانوي الحرارة، فإنه يتبدد بعيدًا عن الجسم إلى البيئة المحيطة، وهذه العملية تخلق تأثيرًا تبريديًا على الجلد، مما يساعد على خفض درجة حرارة الجسم وتحسين الراحة.
إدارة الرطوبة: بالإضافة إلى ذلك، قد تعمل المنسوجات المدعومة بالألماس النانوي على تحسين إدارة الرطوبة عن طريق طرد العرق بعيدًا عن الجلد وتعزيز التبخر. تساهم عملية التبخر هذه أيضًا في الشعور بالتبريد عن طريق إزالة الحرارة من سطح الجسم.
التطبيق المستهدف: من خلال تطبيق طلاء الماس النانو على مناطق معينة من القماش التي تكون على اتصال مباشر بالجلد مثل الطبقة الداخلية من الملابس، يتم تحديد تأثير التبريد في المكان الذي تشتد الحاجة إليه.
مادة رخيصة تطبيقات متعددة
وخلافًا للاعتقاد الشائع، فإن الماس النانوي ليس مثل تلك التي تزين المجوهرات. وهي أرخص من أكسيد الجرافين وأنواع أخرى من المواد الكربونية، كما أنها سهلة التصنيع، كما يقول شادي هوشيار، الأستاذ في كلية الهندسة في المعهد الملكي للتكنولوجيا في ملبورن والباحث الرئيسي في الدراسة.
ويوضح شادي في البيان الصحفي الصادر عن المعهد أنه يمكن تصنيع الماس النانوي بعدة طرق منها:
طريقة الانفجار: تتضمن هذه الطريقة تفجير المواد المحتوية على الكربون في بيئة خاضعة للرقابة. ويولد الانفجار ضغطًا ودرجة حرارة عالية، مما يتسبب في إعادة ترتيب ذرات الكربون لتكوين هياكل الماس.
طريقة الضغط العالي ودرجة الحرارة العالية: في هذه الطريقة تتعرض المواد الكربونية مثل الجرافيت لظروف ضغط ودرجة حرارة شديدة مماثلة لتلك الموجودة في أعماق وشاح الأرض، حيث يتشكل الألماس الطبيعي على مدى ملايين السنين.
ترسيب البخار الكيميائي: في هذه التقنية، يتم إدخال غاز يحتوي على ذرات الكربون مثل الميثان إلى غرفة ذات ركيزة، ويقوم مصدر عالي الطاقة مثل البلازما أو الليزر بتكسير جزيئات الغاز، مما يسمح لذرات الكربون بالترسب على الركيزة وتشكيل طبقات الماس.
وتقول عائشة الرحمن، الباحثة المشاركة في الدراسة، إن الماس النانوي يستخدم في التطبيقات الطبية، وتحلية المياه، ومنتجات العناية الشخصية، وتحسين الخواص الميكانيكية للمواد وتخزين الطاقة، كما أن الغزل الكهربائي يسهل استخدامه في المنسوجات.
ويضيف الرحمن في البيان الصحفي: “على الرغم من أن انخفاض درجة الحرارة بمقدار 2-3 درجات مئوية قد لا يبدو بمثابة تغيير كبير، إلا أنه يحدث فرقًا في تأثيرات الراحة والصحة على مدى فترات طويلة، ومن الناحية العملية يمكن أن يكون الفرق بين تشغيل المكيف أو إطفائه.”
خطوة نحو التطبيق
ويعتبر معتز الشافعي أستاذ المواد بجامعة المنصورة بمصر النتائج التي توصل إليها الباحثون بمثابة خطوة أولى نحو التطبيق، مشيرا في اتصال هاتفي مع الجزيرة نت إلى أن هناك العديد من الأسئلة التي يجب الإجابة عليها في الدراسات اللاحقة لاستكمال المسار.
وقال الشافعي: من الأسئلة المهمة ما يتعلق بـ”المتانة وطول العمر”، إذ لا بد من معرفة “مدى متانة المنسوجات المطلية بالألماس النانوي أثناء الاستخدام المتكرر ودورات الغسيل، والعوامل التي تؤثر على طول عمر خصائص التبريد، وكيف يمكن إطالة عمرها. المنسوجات؟
ويوضح أنه من بين الأسئلة الأخرى، فيما يتعلق بنسبة الانخفاض 2-3 درجات مئوية التي اعتبرها الباحثون مرضية، أنه ينبغي العمل -في رأيه- على تحسين كفاءة التبريد بمعدل أكبر، ويضيف: «الدراسات اللاحقة يجب أن يجيب عما إذا كانت هناك تركيزات من الماس “. تقنية النانو، أو تقنيات التصنيع التي تعمل على تحسين أداء التبريد.
وأخيرًا، يرى الشافعي أنه من الضروري إجراء المزيد من التجارب الشخصية على الأفراد الذين يرتدون منسوجات مطلية بالألماس النانوي في ظروف بيئية مختلفة، حيث يمكن أن يساعد تقييم التفاعلات في تحسين راحة هذه المنسوجات وقابليتها للارتداء لضمان اعتمادها وقبولها على نطاق واسع.
