Coding Metasurfaces with Coral-like Graphene for Thin and Strong Microwave Absorption

تخيل أنك تحاول إخفاء طائر معدني ضخم ولامع عن كشاف ضوئي فائق الحساسية يرتد عن كل شيء. هذا هو عالم رادار التخفي. لعقود من الزمن، حاول العلماء جعل الطائرات غير مرئية للرادار عن طريق طلاءها بطلاءات "سحر أسود" خاصة تبتلع موجات الرادار بدلاً من عكسها. لكن هناك مشكلة: هذه الطلاءات غالباً ما تكون ثقيلة، ومتقشرة، ويمكن أن تنزع عندما تطير الطائرة بسرعة. الأمر يشبه محاولة لصق بطانية ثقيلة ومبللة بسيارة مسرعة؛ قد ينجح الأمر للحظة، لكنه ليس مصمماً ليدوم.

لحل هذه المشكلة، يحاول المهندسون الآن بناء "جلد" الطائرة نفسها للقيام بمهمة الإخفاء. إنهم يريدون مواد قوية بما يكفي لتثبيت الطائرة، ولكنها ذكية بما يكفي لابتلاع موجات الرادار. الفكرة الأساسية هنا هي "الأسطح الميتا" (Metasurfaces). لا تنظر إلى السطح الميتا ككتلة صلبة من المادة، بل كشاشة "بكسلية" عالية التقنية. تماماً كما تستخدم شاشة الكمبيوتر نقاطاً صغيرة حمراء وخضراء وزرقاء لإنشاء صورة، يستخدم السطح الميتا أنماطاً صغيرة للتحكم في كيفية ارتداد الموجات. إذا تمكنت من ترتيب هذه الأنماط بشكل صحيح، يمكنك خداع الرادار ليعتقد أن الطائرة ليست موجودة، أو على الأقل أنها أصغر بكثير مما هي عليه في الواقع. كان التحدي الكبير هو جعل هذه الأنماط رقيقة، وقوية، وقادرة على امتصاص مجموعة واسعة من ترددات الرادار دون أن تتفكك.

وصفة الميثانول والجرافين المرجاني

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من جامعة نورث ويسترن بوليتكنيكال (Northwestern Polytechnical University) زراعة نوع خاص من "الجلد" على نسيج مصنوع من ألياف الزجاج. أرادوا إنشاء مادة تكون قوية جداً وجيدة للغاية في الاختفاء من الرادار. وللقيام بذلك، استخدموا حيلة ذكية تتضمن نوعين من الكحول: الميثانول والإيثانول.

تخيل أنك تخبز الكعك. إذا استخدمت نوعاً واحداً فقط من الدقيق، ستحصل على ملمس متجانس. لكن إذا خلطت نوعين مختلفين من الدقيق، ستحصل على كعكة ذات ملمس فريد وهش، مثالي لوصفة معينة. فعل الباحثون شيئاً مشابهاً بالكربون. قاموا بتسخين الميثانول والإيثانول إلى درجات حرارة قصوى لتحويلهما إلى "غبار" كربوني استقر على ألياف الزجاج.

• عمل الميثانول مثل الدقيق الناعم والمسطح، حيث خلق طبقات رقيقة ومنتظمة من الجرافين (وهو شكل من الكربون فائق الرقة والقوة).
• أما الإيثانول فقد عمل مثل الدقيق الهش، حيث خلق تجمعات كربونية فوضوية ومنحنية.

عندما خلطوا هذين الكحولين بنسب محددة، لم ينمُ الكربون بشكل مسطح فحسب، بل نما في هيكل يشبه المرجان. نمت طبقات الجرافين الرأسية الصغيرة من سطح الألياف، مما خلق غابة ثلاثية الأبعاد مليئة بالنتوءات. كان شكل "المرجان" هذا بمثابة تغيير لقواعد اللعبة، لأنه كان ممتصاً فائقاً للضوء والطاقة. لقد كان بارعاً في جذب الطاقة لدرجة أنه عندما سلطوا عليه الليزر، استطاع الليزر "أكل" الكربون بسهما دون إلحاق الضرر بألياف الزجاج الموجودة تحتها.

لعبة النقش بالليزر

بمجرد حصولهم على هذا الجلد الكربوني الشبيه بالمرجان، احتاجوا إلى تحويله إلى "سطح ميتا برمجي" (Coding Metasurface). فكر في هذا الأمر كأنه لعبة "إطفاء الأنوار" (Lights Out) العملاقة أو لغز فن البكسل. الهدف هو إنشاء نمط تكون فيه بعض المربعات موصلة (مقاومة) والبعض الآخر فارغ تماماً (دائرة مفتوحة)، مما يسمح لموجات الرادار بالمرور عبرها.

استخدم الباحثون ليزراً عالي الدقة لـ "نقش" أو حرق أجزاء من الجلد الكربوني. ولأن الهيكل المرجاني يمتص طاقة الليزر بشكل جيد جداً، فقد تمكنوا من التحكم بدقة في كمية الكربون التي يتم إزالتها.

• إذا تركوا الكربون كما هو، فإنه سيكون ذا مقاومة منخفضة (مثل طريق سريع واسع للكهرباء).
• إذا حرقوه جزئياً، تزداد المقاومة (مثل طريق ضيق ومتعرج).
• إذا حرقوه بالكامل، ستصبح الألياف عارية مرة أخرى، وتعمل كنافذة مفتوحة لموجات الرادار.

من خلال ضبط قوة وسرعة الليزر بعناية، تمكنوا من إنشاء أربعة "حالات مقاومة" مختلفة على النسيج. سمح لهم ذلك برسم كود غير مرئي معقد على المادة.

دماغ الذكاء الاصطناعي

تصميم النمط المثالي لهذا الكود يشبه محاولة حل مكعب روبيك وأنت معصوب العينين. هناك مليارات التشكيلات الممكنة، وتخمين أي منها هو الأفضل سيستغرق وقتاً طويلاً جداً. لذا، استخدم الفريق "دماغاً" للمساعدة: برنامج كمبيوتر يجمع بين الخوارزمية الجينية (التي تحاكي التطور لإيجاد أفضل الحلول) والشبكة العصبية الالتفافية (نوع من الذكاء الاصطناعي الذي يتعلم التنبؤ بالنتائج).

تم تدريب الذكاء الاصطناعي على آلاف عمليات المحاكاة لمعرفة أي ترتيب محدد لحالات المقاومة الأربع سوف يبتلع أكبر قدر من موجات الرادار. وقد حدد بسرعة "النمط الفائز" الذي بدا كموزاييك (فسيفساء) معقد ومتماثل.

النتائج: رقيقة، قوية، ومتخفية

عندما صنعوا المنتج النهائي، كانت النتائج مبهرة. أخذوا سطح الميتا البرمجي المصنوع من الجرافين وثبتوه على طبقة من الفوم بسمك 3 مم (حوالي سمك بضع عملات معدنية مكدسة فوق بعضها).

• الامتصاص: يمكن لهذا "الساندوتش" الرقيق امتصاص موجات الرادار عبر نطاق واس من الترددات. وتحديداً، حقق عرض نطاق امتصاص فعال قدره 7.3 جيجاهرتز (يغطي النطاق من 9.6 إلى 16.9 جيجاهرتز) حيث امتص على الأقل 96.8% من طاقة الرادار (فقدان الانعكاس ≤ -15 ديسيبل). بعبارات بسيطة، ضمن هذا "النطاق الذهبي" من الترددات، ابتلع تقريباً كل طاقة الرادار التي تصطدم به، مما يجعل شاشة الرادار لا تظهر شيئاً تقريباً.
• التخفي على جناح: لاختبار ذلك في العالم الحقيقي، لفوا المادة حول نموذج لجناح طائرة. وعندما سلطوا الرادار عليه، تقلص "بصمة" الجناح (مدى ظهوره للرادار) بمقدار 10 ديسيبل على الأقل. هذا انخفاض هائل، مما يجعل الجناح يبدو كنقطة صغيرة مقارنة بجناح معدني عادي.
• المتانة: على عكس الطلاءات القديمة التي تتقشر، تم "نمو" هذه المادة مباشرة على الألياف، مما جعلها جزءاً من الهيكل نفسه. كانت مرنة ويمكنها الانحناء مع الجناح دون أن تنكسر.

كما أظهر الباحثون أن هذه الطريقة مرنة. فمن خلال تغيير تعليمات الذكاء الاصطناعي، يمكنهم بسهولة تصميم أنماط مختلفة لاحتياجات مختلفة، مما يثبت أن نهج "الجرافين المرجاني" هذا هو أداة جديدة قوية لجعل الطائرات قوية وغير مرئية للرادار في آن واحد. وبينما أشاروا إلى أن جعل المادة أكثر رقة أو إضافة وظائف أكثر (مثل تسخين الجناح لمنع تراكم الجليد) سيكون تحدياً مستقبلياً، فقد نجحت هذه الدراسة في إثبات أنه يمكنك نمو جلد ذكي وغير مرئي على نسيج قوي باستخدام مزيج من الكحول والليزر والذكاء الاصطناعي.