پنگوئن الهام بخش این اختراع شد
کادایف: ماده ای الهام گرفته از پنگوئن، می تواند بین حالت های گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد. این ماده از توانایی پنگوئن ها در استفاده از چارچوب های پَر لایه لایه، عایق جهت دار و ضد آب برای مدیریت حرارتی الهام گرفته است.
به گزارش کادایف به نقل از خبر آنلاین، آیا با آن ناامیدی بعد از آن که برای یک روز برفی آماده می شوید و مجبور می شوید در یک دفتر گرم همه لباس هایتان را دربیاورید، آشنا هستید؟ پنگوئن ها چنین نیستند. چه گرمای سوزان و چه سرمای خیلی شدید باشد، آنها فقط خنک می شوند.
به نقل از ایسنا، دانشمندان با الهام از این استادان مدیریت حرارتی، ماده ای ساخته اند که می تواند به شکل غیرفعال بین حالت های گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد.
این ماده که توسط تیمی مشترک از محققان موسسه فناوری هاربین(Harbin)، دانشگاه هنان نرمال(Henan Normal) و لابراتوار سوژو(Suzhou) توسعه یافته است، می تواند نور خورشید را برای گرم شدن جذب نماید، نور خورشید را برای خنک ماندن منعکس کند و حتی بسته به دما، امواج مایکرو را مسدود یا منتقل کند. همین طور یخ و آب را دفع می کند.
کجیِ مدار زمین، فصل هایی را با دمای خیلی متغیر به وجود می آورد. بعضی از مناطق می توانند در یک زمان، از گرمای شدید تابستان به یخبندان عمیق زمستان تغییر حالت دهند. ما برای راحت ماندن در این شرایط سخت، فناوری های مدیریت حرارتی بی شماری را مهندسی کرده ایم. در جنبه غیرفعال، ما از پوشش ها و مواد تخصصی روی وسایل نقلیه و زیرساخت ها استفاده می نماییم تا گرما را جذب نمایند یا آنرا از خود دور نگه دارند.
مشکل اینست که دما ثابت نمی ماند و مواد معمولا در یکی از این دو مورد خوب هستند. سطحی که در تابستان در دفع گرما عالی است، ممکنست در زمستان به طرز وحشتناکی آنرا هدر دهد و گرمای مفید خورشید را منعکس کند.
انگار مشکلات حرارتی کافی نبوده اند و فناوری مدرن اوضاع را حتی آشفته تر هم کرده است. حال ما با آنتن ها، سیستم های ارتباطی بی سیم، تجهیزات رادار، حسگرها، ماهواره ها، پهپادها و محیط های الکترومغناطیسی که به صورت رو به ازدیادی شلوغ می شوند، همزیستی داریم.
متاسفانه مدیریت حرارتی و کنترل الکترومغناطیسی به شکلی یکدیگر را خنثی می کنند. مواد خنک کننده معمولا برای بازتاب نور خورشید و ممانعت از جذب انرژی طراحی می شوند. از طرف دیگر، مواد محافظ مایکروویو اغلب به رسانایی الکتریکی و برهمکنش های الکترومغناطیسی قوی متکی هستند؛ خواصی که می توانند جذب گرما را نیز بالا برند.
سعی برای ترکیب هر دو قابلیت در یک سیستم و تولید ماده ای بدون به خطر انداختن هیچ یک، خیلی دشوار بوده است. مهندسان پوشش های حرارتی عالی به وجود آورده اند که می توانند گرم یا سرد شوند. آنها همین طور مواد محافظ الکترومغناطیسی خیلی خوبی به وجود آورده اند، اما ماده ای که بتواند به شکل پویا بین گرمایش و سرمایش تغییر حالت دهد و همزمان نحوه تعامل خود با مایکروویوها را تغییر دهد، بازهم در حد داستان های علمی-تخیلی باقیمانده است.
حال محققان یک لایه موسوم به «ژانوس» به وجود آورده اند که به نام یک خدای دو چهره در اساطیر رومی نام گذاری شده است و دقیقا همین کار را انجام می دهد. در قلب این طرح، ماده ای به نام وانادیوم دی اکسید(VO₂) وجود دارد، ترکیبی نسبتاً عجیب که به سبب شخصیت دوگانه اش معروف است.
این ترکیب در دماهای پایین تر، مانند یک عایق رفتار می کند. با این وجود، هنگامی که تا حدود ۶۸ درجه سانتی گراد گرم می شود، ناگهان به حالت خیلی رساناتر و شبیه به فلز تغییر می کند. این تغییر موجب می شود مقاومت الکتریکی آن تقریبا چهار برابر کاهش پیدا کند، یعنی حدود ۱۰ هزار برابر تغییر. این تغییر چشم گیر همان چیزی است که به این لایه اجازه می دهد تا مایکروویوها را به شکل پویا دستکاری کند.
محققان برای ساخت این ماده، VO₂ را در ساختارهای میکروسکوپی فیبرمانند در یک لایه پلیمری منعطف جاسازی کردند. یک طرف به عنوان طرف «گرمایش» عمل می کند. این طرف بشدت نور خورشید را جذب می کند(حدود ۹۴.۵ درصد از انرژی خورشیدی ورودی) و به ماده اجازه می دهد تا تحت تابش به سرعت گرم شود.
در آزمایش های آزمایشگاهی، سطح به دمای حدود ۷۳ درجه سانتی گراد رسید که تقریبا ۵۲ درجه سانتی گراد بالاتر از دمای محیط بود. آزمایش در فضای باز، دما را حتی بالاتر برد و به حدود ۸۷ درجه سانتی گراد رساند. با گرم شدن و انتقال VO₂ به حالت رسانا، این ساختارهای میکروسکوپی تعبیه شده آغاز به تشکیل مسیرهای رسانا در سراسر ماده می کنند و اساساً نحوه تعامل ماده با مایکروویوها را تغییر می دهند.
سیگنال های مایکروویو در دمای اتاق تا حد زیادی با حداقل اتلاف از ماده عبور می کنند. با این وجود، بعد از گرم شدن، ماده به صورت موثر حالت ها را تغییر می دهد و به جای آن آغاز به جذب و بازتاب قوی مایکروویوها می کند.
محققان ماژولاسیون مایکروویو پهن باند را در محدوده فرکانس ۸.۲ تا ۴۰ گیگاهرتز نشان دادند که چندین باند مهم راداری و ارتباطی را در بر می گیرد.
در باند X که معمولا در سیستم های ارتباطی راداری و ماهواره ای استفاده می شود، این اثر بخصوص چشم گیر شد. انتقال مایکروویو بعد از گرم شدن از ۸۳.۶ درصد به تنها ۰.۰۶ درصد کاهش پیدا کرد، در صورتیکه اثربخشی محافظ از ۳۰ دسی بل فراتر رفت که خیلی بالاتر از آستانه های عملی مسدود کردن تداخل الکترومغناطیسی است.
برای آسان تر کردن تجسم این رفتار، محققان یک اتصال بلوتوث را نشان دادند که به صورت معمول در دماهای پایین کار می کرد و بعد از گرم شدن ماده قطع می شد.
همه اینها در مورد تنها یک طرف این ماده بود. طرف دیگر آن برای هدفی کاملا متضاد طراحی شده است که همان خنک سازی است.
این لایه خنک کننده از ذرات سیلیس و یک ساختار متخلخل برای پراکندگی و بازتاب نور خورشید استفاده می نماید و همزمان انرژی حرارتی را به صورت خیلی کارآمد در طیف فروسرخ میانی، ناحیه ای که گرما می تواند از راه آن به آسمان فرار کند، منتشر می کند.
سمت خنک کننده بیشتر از ۹۰ درصد از نور ورودی خورشید را منعکس می کند و با این وجود به ضریب انتشار فروسرخ میانی ۹۷.۱ درصدی دست می یابد.
این ماده در آزمایش های فضای باز، دما را تقریبا ۴ تا ۱۲ درجه سانتی گراد پایین تر از شرایط محیط حفظ کرد. بدین سبب می تواند به صورت مؤثر مانند یک بخاری خورشیدی از یک طرف و یک سیستم خنک کننده تابشی از سوی دیگر رفتار کند.
الهام از پنگوئن در نحوه مدیریت گرما با استفاده از ساختارهای لایه ای، عایق جهت دار، ضد آب بودن و سازگاری با محیط زیست در این حیوان ناشی می شود. پنگوئن ها اساساً استادان مهندسی مدیریت حرارتی هستند که در پَر پیچیده شده اند.
این ماده همین طور از یکی دیگر از خاصیت های مفید پنگوئن ها یعنی مقاومت در مقابل آب وام گرفته است. هر دو طرف این ماده فوق آب گریز هستند، به این مفهوم که آب به جای پخش شدن در سطح، به شکل قطرات آب روی آن جمع شده و از روی آن می غلتد. این خاصیت علاوه بر تمیز نگه داشتن سطح، به ماده قابلیت ضد یخ زدگی و یخ زدایی می دهد.
در طول آزمایش ها، انجماد تا ۸۱۲ ثانیه به تاخیر افتاد. حتی در زیر نور نسبتاً ضعیف خورشید و دمای حدود منفی ۶ درجه سانتی گراد، یخ انباشته شده در حدود ۱۷.۴ دقیقه ذوب شد.
مواد مدیریت حرارتی هم اکنون وجود دارند، مواد محافظ مایکروویو، پوشش های خنک کننده تابشی و سطوح ضد یخ نیز وجود دارند، اما ادغام همه این توانایی ها در یک ماده تطبیقی واحد، بدون اتکا بر موتورها، سیستم های مکانیکی فعال یا الکترونیک پیچیده، چیزی است که این پروژه را خیلی جالب می کند.
به عنوان مثال، ساختمان ها می توانند به صورت بالقوه از یک طرف ماده در فصول سردتر برای جذب گرمای خورشیدی استفاده کنند، سپس در دوره های گرم تر جهت خویش را تغییر دهند تا بارهای خنک کننده را کاهش دهند.
محققان صرفه جویی انرژی سالانه حدود ۳۸.۹ مگاژول در هر متر مربع، معادل تقریبا ۱۱ کیلووات ساعت را تخمین می زنند.
وسایل نقلیه و هواپیماها می توانند از پوسته های حرارتی تطبیقی استفاده کنند که به صورت پویا هم دما و هم امضاهای الکترومغناطیسی را تنظیم می کنند. محفظه های الکترونیکی فضای باز می توانند به صورت بالقوه امکان ارتباط بی سیم را در بعضی شرایط فراهم آورند و در بعضی دیگر تداخل را مسدود کنند.
همین طور بااینکه محققان صراحتاً این ماده را به عنوان یک فناوری پنهان کار معرفی نمی کنند، اما نادیده گرفتن دستاوردهای آشکار نظامی و هوافضایی سطحی که می تواند به شکل پویا رفتار مایکروویو خویش را در طیف وسیعی از فرکانس ها تغییر دهد، دشوار است.
هم اکنون، این پروژه هنوز در مرحله آزمایشگاهی است و محققان این تیم می گویند کارهای آینده بر آزمایش دوام طولانی مدت در فضای باز، بهبود قابلیت تولید در مقیاس بزرگ و بهینه سازی استقرار در دنیای واقعی متمرکز خواهد بود.
بطور خلاصه این تغییر سبب می شود مقاومت الکتریکی آن تقریباً چهار برابر کاهش پیدا کند، یعنی حدود ۱۰ هزار برابر تغییر. در آزمایش های آزمایشگاهی، سطح به دمای حدود ۷۳ درجه سانتی گراد رسید که تقریباً ۵۲ درجه سانتی گراد بالاتر از دمای محیط بود. هر دو طرف این ماده فوق آب گریز هستند، به این مفهوم که آب بجای پخش شدن در سطح، به صورت قطرات آب روی آن جمع شده و از روی آن می غلتد.
منبع: كادایف
این مطلب را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب