ابتكار ألياف كربون يمكنها استخدامها في إدارة محركات السيارة

على مدى السنوات الماضية، اكتسبت “ألياف الكربون” شهرةً كبيرةً في مجال تصنيع المنشآت الخرسانية وهياكل الطائرات (بما في ذلك المقاتلات الحربية الطائرات وأجنحة الطائرات بدون طيار) وقوارب سباقات التجديف وملابس سائقي الدراجات البخارية والأطراف الصناعية.

وساعدها على ذلك تمتُّعها بخصائص كبيرة مثل مقاومتها للإجهادات الميكانيكية (إجهاد الشد والقص والضغط) ومقاومتها للتآكُل والحريق وخفة الوزن.

وبالرغم من تلك الخصائص، إلا أن استخداماتها ظلتهياكل الطائرات

قاصرةً عند مستوى تصنيع الهياكل فقط، ما دفع فريقًا من الباحثين في جامعة “فيرجينيا” الأمريكية إلى ابتكار ألياف كربون ذات بنية مسامية متجانسة تستطيع تخزين الطاقة الكهربائية.

وتشير الدراسة التي نشرتها دورية “ساينس أدفانسس” (Science Advances)، إلى أن “تلك الألياف يُمكن أن تكون مفيدةً في المستقبل على المستوى الوظيفي أيضًا، وليس على مستوى تصنيع الهياكل فقط”.

يقول “جوليانج ليو” -الباحث في كلية فرجينيا للتكنولوجيا، والمشارك في الدراسة- في تصريحات لـ”للعلم”: “وضعنا تصورًا لفكرةٍ طالما راودت خيال العلماء، وهي تخزين الطاقة في ألياف الكربون عبر مجموعة من الثقوب المنتشرة على سطحها بشكل متجانس”.

ويوضح “ليو” أن “العلماء حاولوا كثيرًا صناعة ألياف من الكربون المسامي، وهو نوع من أنواع الألياف الكربونية التي تنتشر على سطحه مسام كتلك الموجودة على الجلد البشري، وتتمثل وظيفة تلك المسام في تخزين الأيونات اللازمة لتوليد الطاقة الكهربائية، ونجحوا بالفعل في خلق كربون مسامي، إلا أن تلك المسام لم تكن متجانسةً على الإطلاق؛ إذ إن بعضها كان كبير الحجم بصورة تسمح للأيونات بالهرب منه، وبعضها الآخر صغير، كما أن المسافات بينهما ليست ثابتة، على حد وصفه.

ويضيف أن “تخزين الطاقة يتطلب أن تكون المسام الموجودة على سطح الكربون متجانسةً وصغيرة الحجم بما يلائم الأيونات التي ينوي العلماء تخزينها تمهيدًا لتوليد طاقة يُمكن أن تُستغل في إنارة أضواء مصابيح السيارات على سبيل المثال، أو حتى تشغيل محركها، وقد نجحنا في تصميم ألياف كربون مسامية مثالية بحيث تتميز تلك المسام بانتشارها المنتظم على سطح الألياف، بطريقة تُشبه الثقوب المنتشرة على سطح إسفنجي، ويُمكن لتلك الثقوب أن تخزن أيونات الطاقة”.

اعتمد الباحثون في تصميم ألياف الكربون المسامية المتجانسة على استخدام مركب كيميائي مصنوع من سائل عديم اللون يستخدم في صناعة ألياف الكربون يُسمى “بولي أكريلونيتريل” (C3H3N)، مع مادة تُسمى PMMA، وهي نوع من البوليمر المكون من وحدات مكررة من الجزيئات نفسها تستخدم أيضًا كمادة أولية لصناعة ألياف الكربون.

وقام العلماء بمعالجة المركب كهربائيًّا لخلق جدائل ليفية من الكربون، ثم قاموا بتقسيتها عبر غمرها في محلول بوليمري آخر.

وبعد ذلك، جرى أكسدة الخليط لفصل البولي أكرياونتريل عن PMMA وتسخين نواتج الفصل ليحصلوا على ألياف كربونية مسامية متجانسة.

وتُعد تلك الطريقة الأولى من نوعها التي يُستخدم فيها خليط من مادتين من البوليمر لإنتاج ألياف الكربون المسامية.

يقول “ليو”: “إن الدراسة استغرق 4 سنوات كاملة، وتُنْبئ بمستقبل جديد لألياف الكربون، فعلاوةً على قدرة تلك الألياف على تحمُّل الإجهادات الميكانيكية والكيميائية، فإنه يُمكنها الآن أيضًا تخزين الطاقة بكفاءة عالية”.

المصدر