Scalable Fabrication and Quantitative Validation of a Crescent moon shaped Thermal metamaterial for Enhanced Thermal Cloaking

الحرارة مسافر لا يكل. في العالم المادي، تتدفق الحرارة طبيعياً من الأماكن الساخنة إلى الباردة، وتنتشر حتى تصل كل الأشياء إلى درجة الحرارة نفسها. بالنسبة للمهندسين الذين يصممون الإلكترونيات الحساسة أو الأدوات الدقيقة، يمكن أن يشكل هذا التدفق المستمر مشكلة؛ فأحياناً، يحتاج مكون معين إلى بقائه بارداً بينما تسخن الآلات المحيطة به. ولحل هذه المشكلة، طور العلماء فئة من المواد تسمى "المواد الخارقة الحرارية" (thermal metamaterials). هذه المواد ليست موجودة في الطبيعة، بل هي هياكل هندسية مصممة لتوجيه الحرارة حول منطقة محمية، تماماً كما يتدفق الماء حول صخرة في مجرى مائي، تاركاً المساحة خلف الصخرة دون اضطراب. وبينما النظرية الكامنة وراء هذه المواد راسخة تماماً، إلا أن تحويلها إلى أجسام حقيقية وعاملة كان أمراً صعباً، إذ تتطلب الأشكال المعقدة غالباً طرق تصنيع مكلفة وبطيئة يصعب التوسع فيها للاستخدام العملي.

لقد عالج فريق من الباحثين في جامعة "جي إن تي يو كاكينادا" (JNTU Kakinada) في الهند هذه العقبة من خلال ابتكار طريقة جديدة لبناء هذه الدروع الموجهة للحرارة. فقد ركزوا على تصميم محدد: عباءة على شكل هلال مكونة من طبقات من النحاس ومادة بلاستيكية لينة تشبه المطاط تسمى "بوليديميثيل سيلوكسان" (PDMS). وبدلاً من استخدام الطابعات ثلاثية الأبعاد المكلفة لبناء هذه الطبقات المعقدة، طور الفريق طريقة أبسط وأقل تكلفة؛ حيث أخذوا صفائح رقيقة من النحاس، وقصوا فيها فجوات دقيقة على شكل هلال باستخدام الليزر، ثم صبوا مادة الـ (PDMS) السائلة مباشرة في تلك الفجوات. وبمجرد أن تصل المادة البلاستيكية إلى حالة الصلابة، شكلت مركباً متعدد الطبقات قادراً على التحكم في تدفق الحرارة. يتجاوز هذا النهج الاختناقات الناتجة عن التصنيع عالي التقنية، مما يوفر مساراً لإنشاء هذه المواد المتقدمة باستخدام أدوات قياسية ومتاحة.

اختبر الباحثون ابتكارهم ليروا ما إذا كان بإمكانه حقاً حماية منطقة مركزية من الحرارة. وضعوا عباءة النحاس والـ (PDMS) على منصة اختبار حيث تم تسخين أحد طرفيها إلى 100 درجة مئوية بينما تُرِك الطرف الآخر في درجة حرارة الغرفة. وقارنوا أداء هذه المادة الخارقة مقابل شريحة نحاسية بسيطة، والتي لا تملك أي قدرة خاصة على إعادة توجيه الحرارة. وباستخدام كاميرات حرارية لتصور درجة الحرارة، وجدوا فرقاً هائلاً؛ ففي شريحة النحاس العادية، انتقلت الحرارة مباشرة عبرها، مما رفع درجة الحرارة في المركز إلى ما يقرب من 99 درجة مئوية. وفي المقابل، ظل مركز عباءة المادة الخارقة بارداً بشكل ملحوظ، حيث انخفضت درجة حرارته إلى 49.9 درجة مئوية فقط. وهذا يعني أن العباءة نجحت في حجب أكثر من نصف الحرارة من الوصول إلى اللب المحمي.

ولضمان أن هذه النتائج لم تكن مجرد محض صدفة في الاختبار الفيزيائي، أجرى الفريق أيضاً عمليات محاكاة حاسوبية مفصلة. قاموا بنمذجة تدفق الحرارة عبر نفس التصميم، مع مراعاة الطرق المختلفة التي ينقل بها النحاس والـ (PDMS) الحرارة. توقعت النماذج الحاسوبية درجة حرارة مركزية تبلغ 53.44 درجة مئوية، وهي قريبة جداً من الـ 49.9 درجة مئوية التي تم قياسها في التجربة الواقعية. هذا الاتفاق القوي بين المحاكاة والاختبار الفيزيائي يؤكد أن تصميمهم يعمل كما هو مخطط له. كما حسبت الدراسة مدى كفاءة العباءة في حماية المركز؛ حيث حققت المادة الخارقة كفاءة حماية حرارية بلغت حوالي 41% في الاختبارات الفيزيائية، وهو تحسن كبير مقارنة بالنحاس العادي الذي لم يقدم أي حماية تذكر. كما خلقت المادة أيضاً درجة حرارة أكثر تجانساً عبر المنطقة المحمية، مما قلل الفرق في درجات الحرارة عبر العباءة بمقدار أربعة أضعاف مقارنة بالمعدن العادي.

يكمن نجاح هذا المشروع في توازنه بين الأداء والعملية. فمن خلال دمج الطبقات في قطعة واحدة صلبة ذات هندسة هلالية، ألغى الباحثون الحاجة إلى خطوات التجميع المعقدة التي غالباً ما تؤدي إلى الأخطاء. لقد أثبتوا أنه ليس من الضروري امتلاك آلات عالية التقنية ومكلفة لإنشاء دروع حرارية فعالة؛ إذ يكفي الجمع بين قطع الليزر والصب البسيط. وتظهر النتائج أن هذه الطريقة يمكن أن تنتج مادة توجه موجات الحرارة بفعالية حول منطقة حساسة، مما يعيد نمط درجة الحرارة على الجانب الآخر كما لو أن الجسم غير موجود. يفتح هذا العمل الباب أمام استخدام أوسع للمواد الخارقة الحرارية في إدارة الحرارة للإلكترونيات وغيرها من التطبيقات، مما ينقل هذه التكنولوجيا من التصاميم النظرية إلى شيء يمكن تصنيعه بموثوقية وبتكلفة معقولة.