ماده‌ای که پنگوئن‌ها باعث ساخت آن شدند

ماده‌ای الهام گرفته از پنگوئن، می‌تواند بین حالت‌های گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد. این ماده از توانایی پنگوئن‌ها در استفاده از ساختار‌های پَر لایه لایه، عایق جهت‌دار و ضد آب برای مدیریت حرارتی الهام گرفته است.

کد خبر: ۱۳۷۵۳۶۳

تاریخ: ۰۶ خرداد ۱۴۰۵ - ۱۶:۱۶

آیا با آن ناامیدی بعد از اینکه برای یک روز برفی آماده می‌شوید و مجبور می‌شوید در یک دفتر گرم همه لباس‌هایتان را دربیاورید، آشنا هستید؟ پنگوئن‌ها چنین نیستند. چه گرمای سوزان و چه سرمای بسیار شدید باشد، آنها فقط خنک می‌شوند.

به گزارش تابناک به نقل از ایسنا؛ دانشمندان با الهام از این استادان مدیریت حرارتی، ماده‌ای ساخته‌اند که می‌تواند به صورت غیرفعال بین حالت‌های گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد.

این ماده که توسط تیمی مشترک از محققان موسسه فناوری هاربین (Harbin)، دانشگاه هنان نرمال (Henan Normal) و آزمایشگاه سوژو (Suzhou) توسعه یافته است، می‌تواند نور خورشید را برای گرم شدن جذب کند، نور خورشید را برای خنک ماندن منعکس کند و حتی بسته به دما، امواج مایکرو را مسدود یا منتقل کند. همچنین یخ و آب را دفع می‌کند.

کجیِ مدار زمین، فصل‌هایی را با دمای بسیار متغیر ایجاد می‌کند. برخی از مناطق می‌توانند در یک زمان، از گرمای شدید تابستان به یخبندان عمیق زمستان تغییر حالت دهند. ما برای راحت ماندن در این شرایط سخت، فناوری‌های مدیریت حرارتی بی‌شماری را مهندسی کرده‌ایم. در جنبه غیرفعال، ما از پوشش‌ها و مواد تخصصی روی وسایل نقلیه و زیرساخت‌ها استفاده می‌کنیم تا گرما را جذب کنند یا آن را از خود دور نگه دارند.

مشکل این است که دما ثابت نمی‌ماند و مواد معمولاً در یکی از این دو مورد خوب هستند. سطحی که در تابستان در دفع گرما عالی است، ممکن است در زمستان به طرز وحشتناکی آن را هدر دهد و گرمای مفید خورشید را منعکس کند.

انگار مشکلات حرارتی کافی نبوده‌اند و فناوری مدرن اوضاع را حتی آشفته‌تر هم کرده است. اکنون ما با آنتن‌ها، سیستم‌های ارتباطی بی‌سیم، تجهیزات رادار، حسگرها، ماهواره‌ها، پهپاد‌ها و محیط‌های الکترومغناطیسی که به طور فزاینده‌ای شلوغ می‌شوند، همزیستی داریم.

متأسفانه مدیریت حرارتی و کنترل الکترومغناطیسی به نوعی یکدیگر را خنثی می‌کنند. مواد خنک‌کننده معمولاً برای بازتاب نور خورشید و جلوگیری از جذب انرژی طراحی می‌شوند. از سوی دیگر، مواد محافظ مایکروویو اغلب به رسانایی الکتریکی و برهمکنش‌های الکترومغناطیسی قوی متکی هستند؛ خواصی که می‌توانند جذب گرما را نیز افزایش دهند.

تلاش برای ترکیب هر دو قابلیت در یک سیستم و تولید ماده‌ای بدون به خطر انداختن هیچ یک، بسیار دشوار بوده است. مهندسان پوشش‌های حرارتی عالی ایجاد کرده‌اند که می‌توانند گرم یا سرد شوند. آنها همچنین مواد محافظ الکترومغناطیسی بسیار خوبی ایجاد کرده‌اند، اما ماده‌ای که بتواند به صورت پویا بین گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد و همزمان نحوه تعامل خود با مایکروویو‌ها را تغییر دهد، همچنان در حد داستان‌های علمی-تخیلی باقی مانده است.

اکنون محققان یک لایه موسوم به «ژانوس» ایجاد کرده‌اند که به نام یک خدای دو چهره در اساطیر رومی نام‌گذاری شده است و دقیقاً همین کار را انجام می‌دهد. در قلب این طرح، ماده‌ای به نام وانادیوم دی اکسید (VO₂) وجود دارد، ترکیبی نسبتاً عجیب که به دلیل شخصیت دوگانه‌اش مشهور است.

این ترکیب در دما‌های پایین‌تر، مانند یک عایق رفتار می‌کند. با این حال، هنگامی که تا حدود ۶۸ درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود، ناگهان به حالت بسیار رساناتر و شبیه به فلز تغییر می‌کند. این تغییر باعث می‌شود مقاومت الکتریکی آن تقریباً چهار برابر کاهش یابد، یعنی حدود ۱۰ هزار برابر تغییر. این تغییر چشمگیر همان چیزی است که به این لایه اجازه می‌دهد تا مایکروویو‌ها را به صورت پویا دستکاری کند.

محققان برای ساخت این ماده، VO₂ را در ساختار‌های میکروسکوپی فیبرمانند در یک لایه پلیمری انعطاف‌پذیر جاسازی کردند. یک طرف به عنوان طرف «گرمایش» عمل می‌کند. این طرف به شدت نور خورشید را جذب می‌کند (حدود ۹۴.۵ درصد از انرژی خورشیدی ورودی) و به ماده اجازه می‌دهد تا تحت تابش به سرعت گرم شود.

در آزمایش‌های آزمایشگاهی، سطح به دمای حدود ۷۳ درجه سانتی‌گراد رسید که تقریباً ۵۲ درجه سانتی‌گراد بالاتر از دمای محیط بود. آزمایش در فضای باز، دما را حتی بالاتر برد و به حدود ۸۷ درجه سانتی‌گراد رساند. با گرم شدن و انتقال VO₂ به حالت رسانا، این ساختار‌های میکروسکوپی تعبیه شده شروع به تشکیل مسیر‌های رسانا در سراسر ماده می‌کنند و اساساً نحوه تعامل ماده با مایکروویو‌ها را تغییر می‌دهند.

سیگنال‌های مایکروویو در دمای اتاق تا حد زیادی با حداقل اتلاف از ماده عبور می‌کنند. با این حال، پس از گرم شدن، ماده به طور موثر حالت‌ها را تغییر می‌دهد و به جای آن شروع به جذب و بازتاب قوی مایکروویو‌ها می‌کند.

محققان ماژولاسیون مایکروویو پهن‌باند را در محدوده فرکانس ۸.۲ تا ۴۰ گیگاهرتز نشان دادند که چندین باند مهم راداری و ارتباطی را در بر می‌گیرد.

در باند X که معمولاً در سیستم‌های ارتباطی راداری و ماهواره‌ای استفاده می‌شود، این اثر به ویژه چشمگیر شد. انتقال مایکروویو پس از گرم شدن از ۸۳.۶ درصد به تنها ۰.۰۶ درصد کاهش یافت، در حالی که اثربخشی محافظ از ۳۰ دسی‌بل فراتر رفت که بسیار بالاتر از آستانه‌های عملی مسدود کردن تداخل الکترومغناطیسی است.

برای آسان‌تر کردن تجسم این رفتار، محققان یک اتصال بلوتوث را نشان دادند که به طور معمول در دما‌های پایین کار می‌کرد و پس از گرم شدن ماده قطع می‌شد.

همه اینها در مورد تنها یک طرف این ماده بود. طرف دیگر آن برای هدفی کاملاً متضاد طراحی شده است که همان خنک‌سازی است.

این لایه خنک‌کننده از ذرات سیلیس و یک ساختار متخلخل برای پراکندگی و بازتاب نور خورشید استفاده می‌کند و همزمان انرژی حرارتی را به طور بسیار کارآمد در طیف فروسرخ میانی، ناحیه‌ای که گرما می‌تواند از طریق آن به آسمان فرار کند، منتشر می‌کند.

سمت خنک‌کننده بیش از ۹۰ درصد از نور ورودی خورشید را منعکس می‌کند و در عین حال به ضریب انتشار فروسرخ میانی ۹۷.۱ درصدی دست می‌یابد.

این ماده در آزمایش‌های فضای باز، دما را تقریباً ۴ تا ۱۲ درجه سانتی‌گراد پایین‌تر از شرایط محیط حفظ کرد؛ بنابراین می‌تواند به طور مؤثر مانند یک بخاری خورشیدی از یک طرف و یک سیستم خنک‌کننده تابشی از طرف دیگر رفتار کند.

الهام از پنگوئن در نحوه مدیریت گرما با استفاده از ساختار‌های لایه‌ای، عایق جهت‌دار، ضد آب بودن و سازگاری با محیط زیست در این حیوان ناشی می‌شود. پنگوئن‌ها اساساً استادان مهندسی مدیریت حرارتی هستند که در پَر پیچیده شده‌اند.

این ماده همچنین از یکی دیگر از ویژگی‌های مفید پنگوئن‌ها یعنی مقاومت در برابر آب وام گرفته است. هر دو طرف این ماده فوق آب‌گریز هستند، به این معنی که آب به جای پخش شدن در سطح، به صورت قطرات آب روی آن جمع شده و از روی آن می‌غلتد. این ویژگی علاوه بر تمیز نگه داشتن سطح، به ماده قابلیت ضد یخ‌زدگی و یخ‌زدایی می‌دهد.

در طول آزمایش‌ها، انجماد تا ۸۱۲ ثانیه به تأخیر افتاد. حتی در زیر نور نسبتاً ضعیف خورشید و دمای حدود منفی ۶ درجه سانتی‌گراد، یخ انباشته شده در حدود ۱۷.۴ دقیقه ذوب شد.

مواد مدیریت حرارتی در حال حاضر وجود دارند، مواد محافظ مایکروویو، پوشش‌های خنک‌کننده تابشی و سطوح ضد یخ نیز وجود دارند، اما ادغام همه این قابلیت‌ها در یک ماده تطبیقی ​​واحد، بدون تکیه بر موتورها، سیستم‌های مکانیکی فعال یا الکترونیک پیچیده، چیزی است که این پروژه را بسیار جالب می‌کند.

به عنوان مثال، ساختمان‌ها می‌توانند به طور بالقوه از یک طرف ماده در فصول سردتر برای جذب گرمای خورشیدی استفاده کنند، سپس در دوره‌های گرم‌تر جهت خود را تغییر دهند تا بار‌های خنک‌کننده را کاهش دهند.

محققان صرفه‌جویی انرژی سالانه حدود ۳۸.۹ مگاژول در هر متر مربع، معادل تقریباً ۱۱ کیلووات‌ساعت را تخمین می‌زنند.

وسایل نقلیه و هواپیما‌ها می‌توانند از پوسته‌های حرارتی تطبیقی استفاده کنند که به طور پویا هم دما و هم امضا‌های الکترومغناطیسی را تنظیم می‌کنند. محفظه‌های الکترونیکی فضای باز می‌توانند به طور بالقوه امکان ارتباط بی‌سیم را در برخی شرایط فراهم کنند و در برخی دیگر تداخل را مسدود کنند.

همچنین اگرچه محققان صراحتاً این ماده را به عنوان یک فناوری پنهان‌کار معرفی نمی‌کنند، اما نادیده گرفتن پیامد‌های آشکار نظامی و هوافضایی سطحی که می‌تواند به صورت پویا رفتار مایکروویو خود را در طیف وسیعی از فرکانس‌ها تغییر دهد، دشوار است.

در حال حاضر، این پروژه هنوز در مرحله آزمایشگاهی است و محققان این تیم می‌گویند کار‌های آینده بر آزمایش دوام طولانی‌مدت در فضای باز، بهبود قابلیت تولید در مقیاس بزرگ و بهینه‌سازی استقرار در دنیای واقعی متمرکز خواهد بود.

این مطالعه در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است.