CuO/Fluorinated Graphite Photothermal Superhydrophobic Coatings: Gradient Synergistic Modulation for Anti- and De-icing Applications

في المرتفعات الباردة والسامقة حيث تسير السكك الحديدية الكهربائية، يهدد عدو صامت بوقف تدفق الطاقة. فعندما يلتقي المطر المتجمد مع الأسلاك المعدنية التي تنقل الكهرباء إلى القطارات، تتراكم طبقة ثقيلة من الجليد. هذا التراكم ليس مجرد مشكلة جمالية؛ بل يزيد من المقاومة، ويعطل الإمداد المستمر للطاقة، ويمكن أن يتسبب في انقطاع الأسلاك أو انهيار الهياكل تحت وطأة الوزن. لعقود من الزمن، حاول المهندسون حل هذه المشكلة بطرق تستهلك الوقود، أو تستخدم آلات ثقيلة، أو ترش المواد الكيميائية، لكن هذه الأساليب غالبًا ما تتطلب الكثير من الطاقة أو تضر بالبيئة. ويكمن الحل الأكثر أناقة في تقاطع فكرتين فيزيائيتين بسيطتين: جعل السطح خشنًا للغاية بحيث لا يمكن للماء الالتصاق به، وجعل ذلك السطح قادرًا على تحويل ضوء الشمس مباشرة إلى حرارة. ومن خلال الجمع بين هاتين الصفتين، يهدف العلماء إلى إنشاء درع يمنع تكون الجليد في المقام الأول ويذيبه فور ظهوره.

قام باحثون في مركز الابتكار التكنولوجي لسكك حديد "سيتشوان-تيبت" الوطنية وجامعة "سويست جياوتونغ" بتطوير طلاء جديد يجمع بين هذه المفاهيم لأسلاك التلامس النحاسية. ويركز عملهم على مادة يسمونها "الطلاء الضوئي الحراري فائق كره الماء". وبالمعنى البسيط، هذا عبارة عن طبقة تشبه الطلاء تطرد الماء بفعالية كبيرة تجعل القطرات تتدحرج قبل أن تتمكن من التجمد، بينما تمتص الضوء في الوقت نفسه لتوليد الدفء. ولبناء ذلك، أنشأ الفريق نظامًا ثنائي الطبقات؛ تعمل الطبقة السفلية كمحرك حراري، تحتوي على جزيئات دقيقة من أكسيد النحاس والجرافيت المعالج خصيصًا. أما الطبقة العلوية فتُوفر الدرع الطارد للماء، وهي مبنية من جزيئات السيليكا ومادة كيميائية تخفض طاقة السطح. والنتيجة هي سطح يبدو خشنًا تحت المجهر، مغطى بتسلسل هرمي من النتوءات والمسام الصغيرة، ولكنه يبدو ناعمًا وجافًا عند لمسه.

بدأت العملية بتعديل الجرافيت، وهو شكل شائع من الكربون، لجعله طاردًا للماء وفعالًا في التقاط الضوء. أخذ الباحثون مسحوق الجرافيت وطلاه بمزيج كيميائي يتضمن الفلور، وهو عنصر أساسي لطرد الماء. خلق هذا جزيئًا ليس مجرد ورقة مسطحة من الكربون، بل بنية معقدة ثلاثية الأبعاد ذات سطح خشن. وعند خلط هذه الجزيئات المعدلة مع أكسيد النحاس ورشها على الأسلاك النحاسية، شكلت طلاءً متينًا ثنائي الطبقات. صُممت الطبقة السفلية، الغنية بأكسيد النحاس والجرافيت المعدل، لامتصاص ضوء الشمس. أما الطبقة العلوية، المكونة من السيليكا والمادة الغنية بالفلور، فقد خلقت مشهدًا مجهريًا من القمم والوديان. هذا النسيج المحدد يحبس جيوبًا من الهواء، مما يضمن استقرار قطرات الماء فوق النتوءات بدلاً من غوصها في الوديان، وهي حالة تحافظ على جفاف السطح.

وعند اختبار هذا الطلاء في ظروف تحاكي المطر المتجمد، كانت نتائج الأداء مذهلة. ففي الأسلاك النحاسية العارية، تشكلت طبقات جليدية سميكة وثقيلة التصقت بقوة بالمعدن. وفي المقابل، أظهرت الأسلاك المعالجة بالطلاء الجديد تراكمًا ضئيلًا جدًا للجليد. وحتى بعد خمس ساعات من التعرض المستمر للمطر المتجمد المحاكى، كان مقدار الجليد الذي تمكن من الالتصاق بالأسلاك المطلية ضئيلًا للغاية. وقد قاس الباحثون ذلك عن طريق وزن الأسلاك قبل الاختبار وبعده، ووجدوا أن العينات المطلية احتفظت بجليد أقل بكًا من العينات غير المطلية. وفي بعض الحالات، كان الجليد الذي تشكل ملتصقًا بضعف شديد لدرجة أنه سقط بمجرد إسقاط السلك من ارتفاع متر واحد، تاركًا السطح نظيفًا تمامًا تقريبًا.

كما أظهر الطلاء قدرة قوية على إذابة الجليد الذي تشكل بالفعل، باستخدام الطاقة من الضوء فقط. فعندما سلط الباحثون ضوءًا ساطعًا على الأسلاك الجليدية، محاكيين ضوء الشمس، ارتفعت درجة حرارة الأسلاك المطلية بسرعة. وفي غضيرة عشرين دقيقة، ارتفعت درجة حرارة السطح إلى 45 درجة مئوية، وهي قفزة كبيرة عن ظروف التجمد. كانت هذه الحرارة كافية لإذابة الرابط بين الجليد والسلك، مما تسبب في انزلاق الجليد في غضون دقائق. أما الأسلاك غير المطلية، وحتى الأسلاك التي تحتوي على الطبقة الطاردة للماء فقط دون المكونات المولدة للحرارة، فقد استغرقت وقتًا أطول بكثير للتنظيف. لقد أزال الطلاء الجديد الجليد عن الأسلاك أسرع بنسبة 45 بالمائة من المعدن العاري، وعلى صفائح النحاس المسطحة، كان أكثر فعالية، حيث أزال الجليد في 103 ثانية فقط مقارنة بأكثر من ثلاث دقائق للمعدن العاري.

إن نجاح هذه المادة يأتي من كيفية عمل أجزائها المختلفة معًا. فالسطح الخشن متعدد الطبقات لا يكتفي بطرد الماء فحسب، بل يعمل أيضًا كمصيدة للضوء. فعندما يصطدم ضوء الشمس بالسطح، يرتد داخل الفجوات الصغيرة بين الجزيئات، ويتم امتصاصه مرارًا وتكرارًا بدلًا من أن ينعكس بعيدًا. يتم بعد ذلك تحويل هذا الضوء المحبوس إلى حرارة بواسطة أكسيد النحاس والجرافيت. ولأن السطح أيضًا بارع جدًا في طرد الماء، فإن الجليد الذي يتكون يكون له تلامس ضئيل جدًا مع المعدن، مما يجعل انفصاله سهلاً بمجرد وصول الحرارة. هذا المزيج يعني أن الطلاء يوفر خطين من الدفاع: فهو يمنع الجليد من الالتصاق في المقام الأول، وإذا تشكل الجليد، فإنه يوفر الطاقة لإزالته بسرعة.

أكد الباحثون أن هذا الطلاء لم يكن مجرد حل مؤقت، بل كان حلاً قويًا. فقد اختبروا متانته عن طريق فرك السطح بورق صنفرة تحت وزن ثقيل. وحتى بعد خدشه وكشطه، حافظ الطلاء على قدرته على طرد الماء، حيث ظلت قطرات الماء تتدحرج بزاوية حادة. وهذا يشير إلى أن المادة يمكن أن تتحمل الظروف القاسية لبيئة السكك الحديدية، بما في ذلك الرياح والحطام وتقلبات درجات الحرارة. كما تحقق الفريق من أن الروابط الكيميائية التي تربط الفلور والسيليكون معًا كانت قوية، مما يضمن أن خصائص طرد الماء لن تنجرف أو تتدهور بمرور الوقت.

يقدم هذا العمل مسارًا واعدًا للمضي قدمًا في الحفاظ على سلامة السكك الحديدية في المناخات الباردة. فمن خلال استخدام مواد غير مكلفة نسبيًا وعملية رش بسيطة، ابتكر الباحثون نظامًا لا يتطلب أي مصدر طاقة خارجي ليعمل. فهو يعتمد على الطاقة الطبيعية للشمس والخصائص الفيزيائية للسطح لإبقاء الأسلاك خالية من الجليد. وبينما أُجريت هذه الدراسة في بيئة محكومة، فإن النتائج تشير إلى حل عملي لمشكلة مستمرة. فالطلاء يحول الأسلاك بفعالية إلى نظام ذاتي التنظيف وذاتي التسخين، مما يضمن بقاء تدفق الكهرباء دون انقطاع حتى عندما تسوء الأحوال الجوية.