أعلن مهندسو جامعة نورث وسترن عن تطوير سطح مضاد للصقيع يجمع بين أنماط محكمة وطبقة رقيقة من أكسيد الجرافين، مما يمنع تشكيل الصقيع بنسبة 100% لأكثر من أسبوع، وهو أطول بألف مرة من الأسطح الحالية. التصميم المتين والقابل للتطبيق على نطاق واسع يمكن أن يوفر مليارات الدولارات في تكاليف الصيانة والطاقة عبر الصناعات المختلفة.

ابتكار هندسي لمنع الصقيع

يسعى المهندسون في جامعة نورث وسترن إلى القضاء على مشكلة تكون الصقيع بشكل كامل. ففي دراسة جديدة، توصل الباحثون إلى أن تعديل نسيج السطح وإضافة طبقة رقيقة من أكسيد الجرافين تمنع تشكل الصقيع بنسبة 100% على الأسطح لمدة تصل إلى أسبوع وربما أطول. هذا الابتكار يعتبر تحسنا هائلا مقارنةً بالأسطح المضادة للصقيع الموجودة حاليا.

بجانب منع تشكل الصقيع، يتميز السطح الجديد بقدرته على مقاومة التشققات والخدوش والتلوث، ما يجعله حلاً متينا وقابلا للتطبيق على نطاق واسع، مع إمكانية توفير مليارات الدولارات في تكاليف الصيانة والطاقة للهيئات الحكومية والشركات.

أهمية التقنية الجديدة

ذكر البروفسور كيو-تشول كينيث بارك، المشرف على الدراسة، أن تراكم الصقيع غير المرغوب فيه يمثل تحديًا كبيرًا للقطاعات الصناعية والسكنية والحكومية، مستشهدًا بأزمة الكهرباء في تكساس عام 2021 والتي تسببت بأضرار تقدر بـ195 مليار دولار بسبب الصقيع والثلوج والبرد القارس. وأوضح أن التقنية الجديدة تتيح منع تشكل الصقيع لفترات طويلة في ظروف بيئية قاسية.

كما أن الطريقة المستخدمة في تصنيع السطح المضاد للصقيع سهلة وملائمة للتطبيق باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد.

اكتشاف مستوحى من الطبيعة

بنيت الدراسة الجديدة على أبحاث سابقة أجراها بارك وفريقه في عام 2020، والتي أوضحت أن إضافة نسيج بمقياس المليمتر إلى الأسطح يمكن أن يقلل من تكون الصقيع بنسبة تصل إلى 80%. وقد استلهم الباحثون هذا الاكتشاف من شكل الأوراق، حيث لاحظوا أن الصقيع يتراكم بشكل أقل على المناطق المقعرة مقارنةً بالمناطق المحدبة.

من خلال التجارب والمحاكاة، اكتشف الفريق أن التكثيف يزداد على قمم الأسطح المتموجة، بينما يتلاشى في المناطق المنخفضة.

قوة أكسيد الجرافين في حجز الرطوبة

في دراستهم الجديدة، أضاف فريق بارك طبقة من أكسيد الجرافين على المناطق المسطحة في السطح المموج، مما أدى إلى تقليل تكون الصقيع بنسبة 100% في تلك المناطق. ويمتاز السطح الجديد بوجود نتوءات صغيرة تغطيها طبقة من أكسيد الجرافين بسمك 600 ميكرون.

يعمل أكسيد الجرافين على جذب جزيئات بخار الماء ومنعها من التجمد عن طريق احتوائها داخله، مما يجعل السطح المقاوم للصقيع طويل الأمد حتى في الظروف القاسية.

مقارنة مع الأسطح التقليدية

أثبتت تقنية بارك الجديدة تفوقها على الأسطح التقليدية المضادة للصقيع، التي تمكنت من مقاومة تكوّن الصقيع بنسبة 5-36% فقط لمدة تصل إلى 5 ساعات، بينما استطاعت تقنية بارك مقاومة الصقيع بنسبة 100% لمدة 160 ساعة.

تتميز هذه التقنية أيضًا بقدرتها على تحمل الخدوش والتشققات والتلوثات، مما يزيد من عمر السطح.

التطبيقات والآفاق المستقبلية

تتيح التقنية الهجينة الجديدة تطبيقات متعددة لمنع تشكل الصقيع في مختلف المجالات، مثل الأجنحة الهوائية للطائرات، وخطوط الكهرباء، وأجهزة الاستشعار في السيارات. الصقيع، الذي قد يبدو مجرد إزعاج يومي، قد يؤدي إلى تعطل الأجهزة الكهربائية وتكلفة صيانة عالية.

إن تطوير تقنيات جديدة لمنع الصقيع يعد أمرا ضروريا للحد من فشل الأجهزة الميكانيكية، وتحسين كفاءة الطاقة، وتقليل مخاطر السلامة في العمليات الحيوية.