علماؤنا يحققون تقدمًا في تقنية المواد الحرارية المرنة، غشاء بلاستيكي يتحول إلى "محول طاقة"

علمت وكالة الأنباء من معهد الكيمياء التابع للأكاديمية الصينية للعلوم أن فريق الباحثين بقيادة الأكاديمي Zhu Daoben والباحث Dì Zhong’an بالتعاون مع شركاء محليين، نجح في تطوير فيلم رقيق من البلاستيك ذو بنية مسامية متعددة المستويات بشكل غير منتظم، حيث تجاوزت القيمة الأساسية للأداء الحراري والكهربائي (zT) 1.64، محطماً الرقم القياسي العالمي لأداء المواد الحرارية المرنة في نفس المنطقة الحرارية، مما يوفر دعماً مادياً رئيسياً لتطوير تقنيات الأجهزة القابلة للارتداء، التبريد الملاصق، وأجهزة استشعار إنترنت الأشياء.

المواد الحرارية الكهربائية هي “سحرة الطاقة” التي يمكنها تحقيق التحويل المتبادل بين الطاقة الحرارية والكهربائية، استناداً إلى تأثيرين فيزيائيين أساسيين: تأثير سيبيك وتأثير باردي، مما يتيح توليد الكهرباء والتبريد بدون وقود أو ضجيج. لذلك، فهي ذات أهمية كبيرة في مجالات توفير الطاقة وتقليل الانبعاثات والطاقة الخضراء.

المواد الحرارية الكهربائية المرنة تجمع بين المرونة والقدرة على الثني، ويمكنها الالتصاق بجسم الإنسان أو الملابس أو أي سطح منحنٍ، وتحويل “الحرارة المهدرة” المحيطة إلى طاقة كهربائية بصمت. وتعد المواد الحرارية الكهربائية المرنة، التي يمكنها التوافق مع جسم الإنسان أو الأسطح المنحنية، خياراً مثالياً لاستعادة واستخدام الحرارة المهدرة، إلا أن مشكلة التوازن بين “مقاومة عالية” و"موصلية حرارية منخفضة" لطول فترة طويلة، جعلت قيمة zT أقل بكثير من تلك الخاصة بالمواد غير العضوية، مما شكل عائقاً رئيسياً أمام التطبيق العملي.

ولحل هذه المشكلة التي تعتبر “كالاختيار بين الحصان والسمكة”، ابتكر فريق البحث بنية فريدة من نوعها تجمع بين “الهيكل المسماري غير المنتظم - الهيكل الضيق المنظم”. يشبه هذا المادة إسفنجاً مملوءاً بفتحات غير منتظمة بأحجام وأشكال مختلفة، لكن الفتحات النانوية يمكن أن تعمل كقوالب، وتساعد جزيئات البوليمر على تشكيل ترتيب عالي الانتظام. تتيح هذه البنية صعوبة انتقال الحرارة، مع سماحها بنقل الإلكترونات بسلاسة، مما ينجح في تحقيق فصل وتنسيق نقل الكهرباء والحرارة، وتحسين الأداء بشكل متزامن.

قام فريق البحث بإعداد هذه المادة باستخدام طريقة “فصل الطور البوليمري”، التي تتوافق مع تقنية الرش، مما يقلل بشكل كبير من صعوبة التصنيع مقارنة بالتقنيات السابقة. حقق هذا الفيلم الرقيق الجديد من البلاستيك الحراري الكهربائي قفزة تاريخية حيث تجاوزت قيمة zT 1.5، محققاً رقماً قياسياً عالمياً للمواد الحرارية المرنة.

في المستقبل، يتمتع هذا التقنية بآفاق واسعة، حيث يمكن أن تنتج فرق حرارة تتراوح بين 5 إلى 10 درجات مئوية بين جسم الإنسان والبيئة طاقة كهربائية ملحوظة، مما يفتح المجال لتطبيقات مستقبلية مثل: تشغيل ساعة ذكية أثناء الجري الصباحي باستخدام حرارة الجسم فقط؛ أو تبريد الجسم بتركيب رقعة خفيفة ورفيعة على الجلد في أيام الصيف الحارة؛ أو دمجها في الملابس كمصدر طاقة متنقل. بالإضافة إلى ذلك، بفضل تكلفتها المنخفضة، يمكن لهذه التقنية أن توفر طاقة مستمرة لأجهزة الاستشعار في عصر إنترنت الأشياء، مع مرونتها التي تتيح الالتصاق بمختلف الأسطح، مما يوسع بشكل كبير من نطاق التطبيقات.

هذه الاختراقات لا تدفع فقط المواد الحرارية البوليمرية نحو التطبيق العملي، بل تعمق أيضاً فهمنا لقوانين التحويل الحراري للمواد اللينة، وتوفر خارطة طريق واضحة للأبحاث المستقبلية. في المستقبل، من المتوقع أن تتحول البلاستيك العادي إلى محطات توليد طاقة صغيرة، بحيث يمكن استغلال الحرارة المهدرة في كل مكان كمصدر ثمين للطاقة.