نموذج جديد يتنبأ بسلوك أجهزة استشعار أنابيب الكربون النانوية

تعتبر الأنابيب النانوية الكربونية أحادية الجدار أساسًا للمواد المتقدمة متعددة الوظائف ويمكن إنتاجها على شكل مساحيق أو أغشية أو ألياف. في هذه الدراسة، جمع المؤلفون عدة نماذج لتحديد القيود العملية للمواد الذكية التي قد تؤثر على تطبيقها كأجهزة استشعار في البيئات القاسية. ونُشرت الدراسة، المدعومة بمنحة من مؤسسة العلوم الروسية، في مجلة كربون. “الألياف المصنوعة من أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار والمركبات النانوية المعتمدة عليها هي مواد عالمية. فهي متينة وعالية التوصيل وحساسة للتشوه الميكانيكي والمواد الكيميائية وتغيرات درجات الحرارة”، يوضح نيكيتا جوردييف، طالب دراسات عليا في برنامج الفيزياء في سكولتيك والمؤلف الأول لهذه الورقة. “ومع ذلك، فإن هذه الحساسية المتعددة هي سيف ذو حدين: إذا كانت المادة حساسة لكل شيء في نفس الوقت، فمن الصعب تحديد المعلمة التي اكتشفنا تغيرها”. يعد فصل هذه الإشارات مهمة صعبة، ولكن حلها يسمح لنا بفهم ما تستجيب له المادة بالضبط. تمكن الفريق من العثور على أنه، على الرغم من الاختلافات الهيكلية، فإن اعتماد التوصيل الكهربائي على درجة الحرارة للأنظمة أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الطور يخضع لنفس الآلية الأساسية: نقل حاملات الشحنة في درجات حرارة مبردة، وتناثر المعادن في درجات حرارة عالية. أكد الأستاذ المشارك في مركز سكولتيك للضوئيات ديمتري كراسنيكوف على بساطة هذه النتيجة وعالميتها: “إن قانون إضافة المقاومات الذي تم الحصول عليه بشكل أساسي موجود في العديد من فروع الفيزياء والعلوم الطبيعية. إنها إحدى جمال الطبيعة عندما يطيع مثل هذا النظام المعقد متعدد الأطوار مثل هذا المبدأ العالمي والأنيق. “إن الجيل الجديد من المواد يسمح لنا بتبسيط الأنظمة الهندسية، وذلك باستخدام مادة واحدة لأداء المهام التي يتم حلها اليوم من خلال مجموعة من الأنظمة والمواد المختلفة. ومن خلال تركيز أبحاثنا على إنشاء أجهزة استشعار سيتم دمجها في المنتجات القابلة للتسويق في المستقبل، فإننا نضمن أننا رائدون في اعتمادها على نطاق واسع. “للقيام بذلك، نحتاج إلى فهم كيفية تفاعل هذه المواد مع بعضها البعض، وما هي حدودها، وما يمكننا القيام به لتحسينها،” قال حسان أحمد بات، الأستاذ المشارك في مركز سكولتيك للضوئيات وتقنيات الضوئيات. “يضع هذا البحث الأساس للعمل مع المواد الكربونية الهرمية التي هي بالفعل على وشك التنفيذ الصناعي”، كما يعلق البروفيسور ألبرت نسيبولين، مدير مركز سكولتيك للضوئيات والتقنيات الضوئية ورئيس مختبر المواد النانوية: «إن المواد المعتمدة على أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار مثيرة للإعجاب بلا شك. تتمتع ألياف الأنابيب النانوية الكربونية بموصلية عالية بشكل استثنائي ويمكن دمجها في المركبات الفضائية كأجهزة استشعار أو أسلاك دون المساس بالمادة الحاملة. توفر المركبات النانوية البوليمرية المشتتة بشكل موحد مع أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار سقالة متعددة الوظائف لا يستطيع الجيل الحالي من المركبات توفيرها. إن الجمع بين هذين النهجين لإنشاء مواد ذكية مصممة منذ البداية من أجل القوة والأداء الكهربائي والحراري والمراقبة في الوقت الفعلي هو الخطوة التالية. ومع ذلك، فإن فهم سلوكها الحراري المعقد يمثل مستوى آخر من الصعوبة. وبفضل هذا العمل، أصبحنا نعرف الآن كيف تتغير خصائصها الحسية في ظل درجات الحرارة القصوى التي تشهدها الأنظمة الهندسية الكبيرة مثل الطائرات، وكيفية عزل تأثيرات درجات الحرارة عن التأثيرات الخارجية الأخرى.