Investigation of Graphene-Filled Silicon–PU Form Composites for Pressure Sensing Applications

تخيل عالماً يمكن للآلات فيه أن تشعر بالضغط كما تفعل بشرة الإنسان، حيث تستجيب للمسة لطيفة أو قبضة قوية بإشارة كهربائية. هذا هو الوعد الذي تقدمه مستشعرات الضغط المرنة، وهي أجهزة أصبحت أساسية للمراقبات الصحية القابلة للارتداء، والروبوتات اللينة، والواجهات المتقدمة بين البشر والحواسيب. ولكي تعمل هذه المستشعرات، فإنها تحتاج إلى مواد ليست ناعمة ومطاطية فحسب، بل قادرة أيضاً على توصيل الكهرباء عند ضغطها. لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن خلط الجسيمات الموصلة في الرغوات الناعمة يمكن أن يخلق مثل هذه المواد، لكن العثور على المزيج الصحيح من المكونات لجعلها حساسة، وموثوقة، وبأسعار معقولة لا يزال يمثل تحدياً. والهدف هو إنشاء مركب يغير سلوكه الكهربائي بشكل يمكن التنبؤ به عند ضغطه، محولاً الضغط الفيزيائي إلى إشارة قابلة للقياس دون الحاجة إلى مصادر طاقة خارجية معقدة.

في دراسة حديثة، وضع الباحثون هدفاً لاختبار كيف تؤثر الأنواع المختلفة من الحشوات الموصلة على أداء مادة ناعمة تشبه الإسفنج. وقد ركزوا على مزيج محدد: رغوة البولي يوريثان، وهي رغوة شائعة ومتينة ومرنة، ممزوجة بمطاط السيليكون السائل لمنحها ملمساً مطاطياً. وإلى هذه القاعدة، أضافوا مكونين موصلين مختلفين تماماً لمعرفة أيهما سيجعل مستشعراً أفضل للضغط. حيث تم خلط دفعة من المادة بـرقائق صغيرة من الغرافين، وهو شكل من أشكال الكربون المعروف بقوته وتوصيله، بتركيز قدره واحد بالمائة من حيث الوزن. بينما خُلطت دفعة أخرى بغبار الحديد بتركيز عشرة بالمائة من حيث الوزن. كما أعدوا عينة ضابطة تحتوي فقط على السيليكون والرغوة، دون أي حشوات موصلة، لتكون بمثابة خط أساس للمقارنة.

قام الفريق بتصنيع هذه العينات يدوياً، عن طريق نقع الرغوة المسامية في مخاليط سائلة من السيليكون والحشوات المختارة، ثم ترك المادة لتجف وتتصلب. وبمجرد تجهيز العينات، قاموا بقطعها إلى مربعات صغيرة ووضعها بين لوحين معدنيين. وباستخدام مكبس بسيط يعتمد على برغي، طبقوا كميات متزايدة من الوزن على العينات، مما أدى إلى ضغطها من سمكها الأصلي البالغ حوالي ستة مليمترات إلى ثلاثة مليمترات. هذه العملية حاكت الضغط الذي قد يتعرض له المستشعر في الاستخدام الواقعي، والذي يتراوح من لمسة خفيفة تبلغ حوالي 3.8 كيلوباسكال إلى ضغطة أقوى تصل إلى 21 كيلوباسكال. وبينما كانوا يضغطون المادة، قاموا بقياس مدى قدرتها على تمرير الكهرباء ومدى قدرة المادة على تخزين الطاقة الكهربائية، واختبروا هذه الخصائص عبر نطاق من الترددات يتراوح من دورة واحدة إلى خمسة ملايين دورة في الثانية.

لفهم ما كان يحدث داخل المادة، فحص الباحثون العينات تحت مجاهر قوية. ووجدوا أن الرغوة النقية لها بنية مسامية ناعمة ذات ثقوب صغيرة. وعندما أضافوا غبار الحديد، رأوا رقائق معدنية متمايزة ومسننة، يتراوح حجمها بين 50 و100 ميكرومتر، مدمجة على طول جدران مسام الرغوة. أما عينة الغرافين فقد بدت مختلفة؛ حيث كانت الرقائق أصغر بكثير، بمتوسط يتراوح بين 10 و20 ميكرومتر، وأعطت السطح مظهراً أكثر تفتتاً وخشونة. أكدت هذه الملاحظات أن الحشوات قد دُمجت بنجاح في البنية الإسفنجية، وهي جاهزة للتفاعل عند ضغط المادة.

كشفت الاختبارات الكهربائية عن نمط واضح: فكلما ضغط الباحثون بقوة أكبر على العينات، زادت كل من القدرة على توصيل الكهرباء وقدرة المادة على تخزين الشحنة الكهربائية. حدث هذا لأن الضغط أدى إلى عصر الرغوة، مما جعل الجسيمات الموصلة تقترب من بعضها البعض. فعندما تكون الجسيمات متباعدة، تجد الكهرباء صعوبة في عبور الفجوة. ومع انضغاط المادة، تتقلص الفجوات، مما يسمح للإلكترونات بالقفز بسهء أكبر بين الجسيمات وتشكيل مسارات أقوى لتدفق التيار. كما تأثر هذا التأثير بتردد الإشارة الكهربائية، حيث تسمح الترددات الأعلى لحوامل الشحنة بالتحرك بحرية أكبر.

وعند مقارنة المادتين الموصلتين، أظهرت النتائج تحولاً في الأداء اعتماداً على مقدار الضغط المطبق. ففي مستويات الضغط المنخفضة، كانت عينة الغرافين توصل الكهرباء بشكل أفضل من عينة الحديد. ومع ذلك، مع زيادة الضغط وضغط الرغوة بشكل أكبر، تصدرت عينة غبار الحديد المشهد، متفوقة على نسخة الغرافين. وعزا الباحثون ذلك إلى طبيعة رقائق الحديد؛ فبسبب كون جزيئات الحديد أكبر حجماً بشكل ملحوظ ومصنوعة من معدن حقيقي، كانت أفضل في تشكيل شبكات اتصال قوية ومستمرة عند ضغط المادة بشدة. أما الغرافين، ورغم كونه ممتازاً عند الضغوط المنخفضة، فلم يستطع مضاهاة الكفاءة التوصيلية لرقائق المعدن الأكبر حجماً تحت الإجهاد العالي.

تخلص الدراسة إلى أن مركبات السيليكون والرغوة هذه تستجيب بشكل عالٍ للضغط، مما يجعلها مرشحة قوية للاستخدام في المستشعرات المرنة ومنخفضة التكلفة. وتشير النتائج إلى أنه بينما يوفر الغرافين مزايا في ظروف معينة، فإن غبار الحديد يوفر بديلاً قوياً يتفوق في حالات الضغط العالي. ومن خلال إثبات كيف تغير الحشوات المختلفة السلوك الكهربائي لبنية رغوية بسيطة، يضع هذا البحث حجر الأساس لتطوير أنواع جديدة من المستشعرات التي يمكن استخدامها في كل شيء، من الجلد الاصطناعي للأطراف الصناعية إلى الأسطح التفاعلية للروبوتات. ويؤكد هذا العمل أنه من خلال الاختيار الدقيق لمزيج المواد، يمكن إنشاء أجهزة ناعمة ومتينة تترجم العالم الفيزيائي إلى إشارات كهربائية بدقة.