Engineering Printable PNIPAM/HPC Thermochromic Hydrogels through Multi-Parameter Optimization for Energy-Efficient Smart Windows

تخيل نافذة لا تكتفي بمجرد الجلوس بسلبية في جدار، منتظرة الشمس لتسخن الغرفة أو البرد ليبردها. بدلاً من ذلك، تخيل نافذة تعمل كجلد حي، يستشعر درجة الحرارة ويغير طبيعته الخاصة للحفاظ على راحة الداخل. عندما يزداد الهواء في الخارج دفئاً، تصبح الزجاج عاتماً، مما يحجب حرارة الشمس. وعندما يبرد الهواء، يعود الزجاج صافياً مرة أخرى، ليسمح للضوء والدفء بالدخول. هذا هو الوعد الذي تقدمه "النوافذ الذكية"، وهي تقنية يمكن أن تقلل بشكل كبير من الطاقة اللاسة لتدفئة وتبريد مبانينا. لسنوات، بحث العلماء عن مواد يمكنها القيام بذلك تلقائياً، دون الحاجة إلى كهرباء أو أدوات تحكم معقدة. أحد أكثر المرشحين واعداً هو نوع من الهلام (الجل) المصنوع من بلاستيك خاص يتفاعل مع الحرارة. ومع ذلك، كان تحويل هذه الفضول المختبري إلى منتج حقيقي وبسعر معقول أمراً صعباً؛ فقد كانت المواد باهظة الثمن للغاية، أو صعبة التشكيل، أو غير قابلة للتنبؤ بها لاستخدامها في المباني الكبيرة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في معهد علوم وتكنولوجيا الألوان في طهران خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلات. لقد طوروا طريقة جديدة لإنشاء مادة نافذة ذكية ليست فعالة فح فقط، بل قابلة للطباعة أيضاً، مما يعني أنه يمكن تصنيعها باستخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة. يركز عملهم على هلام مصنوع من بوليمر يسمى "بولي (إن-إيزوبروبيل أكريلاميد)"، والذي يتغير طبيعياً من شفاف إلى عاتم عند درجة حرارة معينة. كان التحدي يكمن في جعل هذا الهلام رخيصاً بما يكفي وسهل التعامل معه للإنتاج الضخم. وجد الباحثون أنه من خلال خلط ألياف نباتية شائعة ومنخفضة التكلفة بعناية وتعديل الوصفة الكيميائية بأملاح بسيطة، استطاعوا ضبط الهلام ليتغير عند درجة الحرارة المثالية لراحة الإنسان. لقد اكتشفوا وصفة محددة توازن بين الحاجة لأن تكون النافذة شفافة عندما تكون باردة وعاتمة عندما تكون حارة، مع كونها متينة بما يكفي ليتم طباعتها في أشكال معقدة.

بدأت رحلة الوصول إلى هذا الحل بفهم بنية الهلام نفسه. المادة عبارة عن شبكة تشبه الإسفنج من سلاسل بوليمر دقيقة مليئة بالماء. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة، تتمسك السلاسل بالماء وتنتشر، مما يجعل الهلام شفافاً. وعندما ترتفع درجة الحرارة، تترك السلاسل الماء، وتنهار، وتتكتل، مما يؤدي إلى تشتيت الضوء وتحويل الهلام إلى اللون الأبيض. عرف الباحثون أن قوة الروابط بين هذه السلاسل كانت أمراً حاسماً. فإذا كانت الروابط فضفاضة جداً، سيكون الهلام ناعماً وغير مستقر للغاية. وإذا كانت مشدودة جداً، فلن يتمكن الهلام من تغيير شكله بفعالية. لقد اختبروا كميات مختلفة من "غراء" كيميائي يربط السلاسل معاً. ووجدوا أن كمية معتدلة من هذا الغراء خلقت أفضل بنية: شبكة قوية بما يكفي للحفاظ على شكلها ولكنها مرنة بما يكفي للتحول بوضوح بين الحالتين الشفافة والعاتمة. سمح هذا التوازن المحدد للمادة بحجب ما يقرب من 84 بالمائة من الضوء عندما تكون حارة، بينما تسمح بمرور أكثر من 90 بالمائة من الضوء عندما تكون باردة.

بمجرد حصولهم على البنية الصحيحة، احتاج الفريق إلى ضبط درجة الحرارة التي يحدث عندها هذا التحول. كانت نقطة التحول الطبيعية للهلام مرتفعة قليلاً بالنسبة للعديد من المباني. ولخفضها، قاموا بنقع الهلام في محلول ملحي. اختبروا نوعين من الملح: أحدهما شائع في المطابخ والآخر يستخدم غالباً في العمليات الصناعية. عمل ملح المطبخ، كلوريد الصوديوم، بشكل رائع؛ فقد خفض درجة حرارة التحول إلى نطاق مريح دون إفساد وضوح المادة. أما الملح الصناعي، كلوريد الكالسيوم، فقد خفض درجة الحرارة بشكل أكبر، لكنه جعل الهلام عاتماً حتى عندما يكون بارداً، مما أفقد النافذة الغرض منها. استنتج الباحثون أن ملح المطبخ كان الخيار الصحيح، مما سمح لهم بضبط النافذة لتتحول عند درجة حرارة تتوافق مع مستويات الراحة البشرية، حوالي 27 درجة مئوية.

كانت العقبة الأخيرة هي التكلفة وقابلية التصنيع. المكون الرئيسي في الهلام باهظ الثمن، مما قد يجعل النوافذ الكبيرة مكلفة للغاية. ولحل هذه المشكلة، أضاف الباحثون كمية صغيرة من "هيدروكسي بروبيل السليلوز"، وهي مادة مشتقة من لب الخشب وهي رخيصة ومتوفرة بكثرة. قاموا بخلط هذه الألياف النباتية مباشرة في الهلام أثناء تكوينه. أضاف هذا الإجراء شيئين مهمين: أولاً، قلل من كمية البلاستيك باهظ الثمن المطلوبة، مما خفض التكلفة. ثانياً، غير قوام الخليط، مما جعله سميكاً بما يكفي ليتم دفعه عبر فوهة الطابعة دون أن يفقد شكله. فتح هذا الباب أمام الطباعة رباعية الأبعاد، حيث يمكن للجسم المطبوع أن يغير شكله أو وظيفته بمرور الوقت استجابةً للبيئة. وجدوا أن إضافة حوالي 30 بالمائة من هذه الألياف النباتية خلقت الخليط المثالي؛ فقد حافظت على شفافية واستجابة الهلام مع جعله متيناً وسهل الطباعة.

النتيجة هي مادة جاهزة للمرحلة التالية من التطوير. لقد حدد الباحثون تركيبة محددة تجمع بين الكمية الصحيحة من الغراء الكيميائي، والملح المناسب، والكمية الصحيحة من الألياف النباتية. تخلق هذه التركيبة هلاماً مائياً يتحول عند درجة الحرارة المثالية، ويوفر تبايناً ممتازاً بين الحالتين الشفافة والعاتمة، ويمكن طباعته في أشكال معقدة. ورغم أن هذه المادة ليست موجودة بعد في كل مبنى، إلا أن الدراسة توفر مساراً واضحاً للمضي قدماً. إنها تظهر أنه من خلال ضبط الكيمياء بعناية واستخدام مكونات متجددة، من الممكن إنشاء نوافذ ذكية تكون عالية الأداء وبأسعار معقولة في آن واحد. هذا النهج يقرب التكنولوجيا من الواقع، ويقدم مستقبلاً يمكن فيه لمبانينا أن تتنفس وتتكيف مع الطقس من تلقاء نفسها، مما يوفر الطاقة ويحافظ على راحتنا دون الحاجة إلى مفتاح كهربائي واحد.