طور باحثون من جامعة روتشستر هياكل من أنابيب الألمنيوم تحبس فقاعات الهواء، ما يُمكّنها من الطفو باستمرار حتى في أقسى الظروف.
وقد استلهم العلماء التصميم من شعيرات «عناكب الجرس bell spiders» الغاطسة، و«نمل النار fire ants» التي تطرد الماء، فاستغلوا خاصية النفور الشديد من الماء لصنع أنابيب ألمنيوم صغيرة غير قابلة للغرق.
وقال العلماء إنه يمكن استخدام مجموعة الأنابيب لبناء سفن كبيرة، وقوارب، ومنصات عائمة، وعوامات للتطبيقات البحرية. واستعرضوا -كمثال- إمكاناتها لتكون مولد طاقة كهربائية عائم لحصد طاقة المد والجزر في المحيط.
منصات لأنابيب طافية
يبلغ قطر الأنابيب نحو 0.5 ملم، ولكن عند تكديسها معاً، يمكن تجميعها في هياكل أكبر تُستخدم منصات عائمة، أو أجهزة لاستخلاص الطاقة من تموجات أمواج المحيط.
وقال تشونلي غو Chunlei Guo أستاذ البصريات والفيزياء بجامعة روتشستر، الذي قاد البحث المنشور الشهر الماضي في مجلة «المواد الوظيفية المتقدمة» Advanced Functional Materials: «أعتقد أن المحيط لا يزال مورداً هائلاً غير مستغل».
وأضاف الدكتور غو: «ستظل الأنابيب طافية. لقد أجرينا اختبارات بيئية قاسية وشاملة. وحتى عند تعرض الأنابيب للرمي، أو التلف الشديد، فإنها تبقى طافية... أو ربما تُمكّنك هذه التقنية من صنع كرسي عائم أنيق لحمام السباحة».
وعلق أندرياس أوستندورف، أستاذ تكنولوجيا الليزر التطبيقية بجامعة روهر بوخوم في ألمانيا، الذي لم يشارك في البحث، على هذا التطوير، ووصفه بأنه «مثير للاهتمام حقاً». وقال: «بصفة أننا باحثون، وخاصة في مجال الهندسة، نبحث دائماً عن أفكار ثورية. قد تكون هذه التقنية بمثابة خريطة طريق لاختراق العديد من التطبيقات».
الألمنيوم غير قابل للغرق
يُعدّ الألومنيوم من أخف المعادن، ولكنه مع ذلك أكثر كثافة من الماء بمقدار 2.7 مرة. ولكن إن أسقطت قطعة من هذا المعدن في المحيط، فإنها ستغرق.
بالطبع، تطفو الأجسام المعدنية كالسفن وعلب المشروبات الغازية الفارغة لأن الهواء بداخلها أخف من الماء. ولكن إذا ثُقب الغلاف الخارجي، يندفع الماء إلى الداخل، وتغرق الأجسام التي كانت تطفو في الأعماق.
ولصنع أنابيب ألمنيوم غير قابلة للغرق، قام علماء روتشستر بنقش حفر مجهرية على أسطحها كيميائياً. وبسبب التوتر السطحي للماء، لا تستطيع قطرات الماء التدفق إلى داخل هذه الحفر، بل تتدحرج عنها فوراً تقريباً، ويبقى السطح جافاً.
«النفور الفائق من الماء»
تُعرف هذه الخاصية باسم «النفور الفائق من الماء superhydrophobicity »، وتستفيد منها بعض الكائنات في الطبيعة. فمثل الحفر الصغيرة في أنابيب الألمنيوم، تصدّ شعيرات عناكب الجرس الغاطسة ونمل النار الماء أيضاً. تستخدم العناكب النفور الشديد من الماء لحبس الهواء، ما يسمح لها بالتنفس تحت الماء. أما نمل النار، فينجو من الفيضانات بالترابط معاً لتكوين طوافات مقاومة للماء.
أسطح فائقة الكراهية للماء
تُعرف الأسطح فائقة الكراهية للماء منذ عقود، لكن استخدامها العملي لا يزال محدوداً. وتحتوي بعض الغرسات الطبية مثلاً على طبقة طاردة للماء لمنع التآكل والعدوى البكتيرية.
وقال الدكتور غو إنه أراد ابتكار تطبيقات للأسطح فائقة الكراهية للماء أكثر تميّزاً. وقبل بضع سنوات، نشر فريقه العلمي ورقة بحثية تصف بنية عائمة تتكون من قرصين متوازيين من الألمنيوم فائق الكراهية للماء، متصلين بعمود بلاستيكي. وقد منعت الأسطح فائقة الكراهية للماء تدفق الماء إلى الفجوة الضيقة، ما حافظ على طبقة من الهواء بين القرصين.
نجحت هذه الطريقة، ولكن عند إمالة القرصين ودفعهما للأسفل، كان الهواء يُدفع للخارج. لذلك بدأ العلماء بالتفكير في أشكال هندسية أخرى، واتضح أن الأنابيب أكثر متانة من الأقراص، خاصةً مع وجود جدار فاصل داخل الأنبوب. من شأن ذلك أن يمنع الماء من التدفق من أحد طرفي الأنبوب إلى الطرف الآخر، وبالتالي يمنع خروج فقاعة الهواء. ومنعت الأسطح فائقة الكراهية للماء داخل الأنبوب دخول الماء، ومنعت تسرب الهواء.
أنابيب متينة
وقال الدكتور غو: «هذا نظام مستقر للغاية». واختبر الباحثون متانة الأنابيب بتعريضها لأوزان في كل من الماء المالح، والماء الذي تنمو فيه الطحالب. ولأن الأنابيب كانت طاردة للماء، فلم تتآكل الأجزاء الداخلية للأنابيب، كمان أن الطحالب لم تتمكن من النمو فيها... حتى أن حفر ثقوب في الأنابيب لم يؤثر في قدرتها على الطفو.
طوافات لأقسى ظروف المحيط
يمكن دمج الأنابيب لتشكيل طوافات، وأوضح الدكتور غو أن التحليل العددي أظهر أن تكديس عدة طبقات من الأنابيب يُنتج بنية قادرة على تحمل أقسى ظروف المحيط، لذا فان الهياكل المصنوعة من أكوام من الطوافات قادرة على الصمود فيها.
إلا أن الدكتور أندرياس أوستندورف علق بالقول إن هناك حاجة إلى مزيد من العمل لإثبات فعالية هذه الأنابيب في ظروف واقعية. وقال: «هناك بعض التساؤلات التي لم تُجب عليها الدراسات، لكن المبدأ رائع وبسيط للغاية، وربما يُمكن توسيعه».
تصاميم لأنماط مجهرية على سطح المواد
أمضى الدكتور غو وزملاؤه عقوداً في تغيير خصائص المواد عن طريق وضع أنماط مجهرية على سطحها. ففي عام 2008، استخدم الدكتور غو، بالتعاون مع أناتولي ي. فوروبييف، وهو باحث آخر من جامعة روتشستر، أشعة الليزر لعمل ثقوب دقيقة على أسطح المعادن بطريقة تُحافظ على ملمسها الأملس، مع تغيير كيفية امتصاص الضوء، وانعكاسه. وكانت النتيجة الحصول على معدن ألمنيوم بلون الذهب، ومعدن تيتانيوم بلون أزرق داكن.
ولاحقاً، قام العلماء بنحت قنوات دقيقة في السيليكون لإنشاء أسطح تجذب الماء بدلاً من صدّه. واقترحوا إمكانية استخدام هذه الأسطح، المعروفة باسم الأسطح فائقة المحبة للماء -أي شديدة الانجذاب للماء- لتبريد رقائق الكمبيوتر.
كما استكشف الدكتور غو أيضاً إمكانية دمج المعادن الملونة مع الأسطح الجاذبة للماء، فعلى سبيل المثال، استخدم معدناً أسود اللون لصنع جهاز يُعرف باسم «المولد الكهروحراري»، الذي يمتص الحرارة من ضوء الشمس ومصادر أخرى لتوليد الكهرباء، ويمكنه استغلال أي حرارة مهدرة، حتى من جوار كاتم الصوت أسفل السيارة.
* خدمة «نيويورك تايمز»
