يمكن أن تُستخدم اللدائن المتقدمة في مكونات منتجات أرخص وأخف وزناً وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة كتلك المستخدمة في السيارات والمصابيح وأجهزة الكمبيوتر فقط إذا كانت أفضل في تبديد الحرارة.
هناك تقنية جديدة يمكن أن تغير الهيكل الجزيئي للبلاستيك لمساعدته على التخلص من الحرارة وهي خطوة واعدة في هذا الاتجاه.
ذُكرت تفاصيل هذه التقنيّة التي تمّ تطويرها من قبل فريق من باحثي جامعة ميشيغان في علوم المواد والهندسة الميكانيكية في دراسة جديدة نُشرت في مجلّة "تطوّرات العلوم" Science Advances. تُعتبر هذه العملية غير مكلفة وقابلة للتطوير.
يمكن استخدام هذا المفهوم على الأرجح مع مجموعة متنوعة من اللدائن الأخرى. قامت هذه التقنيّة بجعل البوليمر موصل حراري تماماً كالزجاج في الاختبارات الأولية. لا يزال هذا أقل بكثير من المعادن أو السيراميك، ولكنّه أفضل بست مرّات في تبديد الحرارة من البوليمر غير المعالج.
يقول "جينسانغ كيم" أستاذ علوم المواد والهندسة في جامعة مالايا U-M : " يحل البلاستيك محل المعادن والسيراميك في العديد من الأماكن، إلا أنّ منتجاته تعتبر موصلات حرارية سيئة، ولا يأخذها أحد في عين الاعتبار في التطبيقات التي تتطلب تبديد الحرارة بكفاءة". ويضيف: "نحن نعمل على تغيير ذلك من خلال تطبيق الهندسة الحرارية على البلاستيك بطريقة لم تتم من قبل".
تُعتبر هذه العملية خروجاً كبيراً عن المناهج السابقة والتي ركزت على إضافة الحشوات المعدنية أو السيراميك والبلاستيك. حقق ذلك نجاحاً محدوداً، حيث إنّه يجب إضافة كمية كبيرة من الحشو وهو أمر مكلف ويمكن أن يُغير من خصائص البلاستيك بطرق غير مرغوب فيها. تستخدم التقنية الجديدة عملية هندسة هيكل المادة نفسها بدلاً من ذلك.
يُصنع البلاستيك من سلاسل طويلة من الجزيئات المفتولة بإحكام والمتشابكة مثل طبق من السباغيتي(بوليمير). يجب أن تتحرّك الحرارة جنبا إلى جنب في المادّة وبين سلاسلها والتي يمكن اعتبارها رحلة دائريّة شاقة تعيق تقدم الحرارة.
استخدم الفريق الذي يشمل أيضاً الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية من جامعة مالايا U-M "كيفن بايب" وباحث الدراسات العليا في الهندسة الميكانيكية "تشن لي" وطالب الدراسات العليا في علوم المواد والهندسة "أبورف شانكر" عملية كيميائية لتوسيع وتعديل سلاسل الجزيئات. تعطي هذه التقنيّة الطاقة الحرارية طريقاً أكثر مباشرة للمرور من خلال المواد. بدأ الباحثون باستخدام بوليمر نموذجي أو بلاستيك لتحقيق ذلك. قاموا بحل البوليمر في الماء أوّلاً ثمّ أضافوا الشوارد إلى المحلول لزيادة درجة الحموضة مما يجعلها قلوية.
تأخذ الروابط الفردية في سلسلة البوليمر والتي يُطلق عليها اسم مونومرات شحنة سالبة مما يتسبب في صدّها لبعضها البعض، وبما أنها تنتشر بعيداً، فإنها تفتح لفائف السلسلة الضيّقة. يتم رش الماء ومحلول البوليمر على الصفائح باستخدام عملية صناعية معروفة تدعى "صبّ الدوران" spin casting وهو وسيلة لاستخدام قوة الطرد المركزي لإنتاج المسبوكات من قالب من المطاط والتي تحوّله في النهاية إلى غشاء من البلاستيك الصلب.
تُسهّل سلاسل الجزيئات غير الملفوفة داخل البلاستيك انتقال الحرارة من خلالها. وجد الفريق أيضاً أنّ لهذه العملية فائدة ثانوية حيث إنّها تجعل سلاسل البوليمر أكثر صلابة وتساعد الباحثين على حزم هذه السلاسل معاً بطريقة محكمة مما يجعلها موصلة للحرارة بشكل أكبر.
يقول شانكر: "توصل جزيئات البوليمر الحرارة عن طريق الاهتزاز، ويمكن لسلسلة الجزيئات الأكثر صلابة أن تهتز بسهولة أكبر. ويضيف: "فكر في وتر الغيتار المشدود بقوّة وقارنه مع قطعة من اللفائف الرخوة. سوف يهتز وتر الغيتار عند تحريكه، بينما لن تهتز اللفائف الرخوة عندما تفعل ذلك. تتصرّف سلاسل جزيء البوليمر بطريقة مماثلة".
يقول بايب بأنّ لهذا العمل آثاراً مهمة بسبب العدد الكبير من تطبيقات الـ بوليمر والتي تُعتبر فيها درجة الحرارة أمراً مهمّاً.
يقول بايب: "لقد درس الباحثون منذ فترة طويلة طرقا لتعديل التركيب الجزيئي للبوليمرات من أجل هندسة خصائصها الميكانيكية أو البصرية أو الإلكترونية، إلا أن عددا قليلاً جداً من هذا الدراسات قد تناول نهج التصميم الجزيئي في هندسة الخصائص الحرارية لهذه المواد". ويضيف: "في حين يُعتبر تدفق الحرارة في المواد عملية معقدة في الغالب، إلّا أنّ أبسط التحسينات الصغيرة في التوصيل الحراري للبوليمرات يمكن أن يكون لها تأثير تكنولوجي كبير".
يبحث الفريق الآن في صنع المركبات التي تجمع بين تقنية جديدة مع العديد من استراتيجيات تبديد الحرارة الأخرى لزيادة التوصيل الحراري، كما أنّهم يعملون أيضاً على تطبيق هذا المفهوم على أنواع أخرى من البوليمرات غير المستخدمة في هذا البحث، ومن المرجح أن يكون هناك منتج تجاري في السنوات القادمة.
يقول لي: "إننا نبحث في استخدام المذيبات العضوية لتطبيق هذه التقنية على البوليمرات غير القابلة للذوبان في الماء". ويضيف: "لكننا نعتقد أن مفهوم استخدام الشوارد في هندسة البوليمرات حراريّاً هو فكرة متعدّدة الجوانب وستُطبق على العديد من المواد الأخرى".
المصدر