Thermoelastic damping analysis to CNTs/GPLs-reinforced FG microplate under nonlocal strain gradient theory incorporating surface effects and three-phase-lag heat conduction model

داخل الآلات المتناهية الصغر التي تشغل عالمنا الحديث، من المستشعرات في هواتفنا الذكية إلى المجسات الطبية التي تتنقل داخل جسم الإنسان، هناك صراع مستمر وغير مرئي ضد فقدان الطاقة. هذه الأجهزة، المعروفة باسم الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة، تعتمد على أجزاء تهتز بدقة فائقة. ومع ذلك، عندما تتقلص هذه الأجزاء لتصل إلى حجم شعرة الإنسان أو أصغر، تبدأ في التصرف بشكل مختلف عن الأجسام الصلبة التي نراها كل يوم. أحد أكبر التحديات التي يواجهها المهندسون هو ظاهرة تسمى "التخميد المرن الحراري". وهي عملية يتم فيها تحويل الطاقة الميكانيكية لجزء مهتز بهدوء إلى حرارة وفقدانها للأبد. فعندما ينحني شعاع، يسخن جانبه المضغوط قليلاً، بينما يتمدد الجانب الآخر ويبرد. هذا الفرق الطفيف في درجة الحرارة يسبب تدفق الحرارة من الجانب الدافئ إلى الجانب البارد. وهذا التدفق غير عكسي، وهو يستنزف الطاقة من الاهتزاز، مما يؤدي إلى توقف الجهاز عن الحركة أو فقدان دقته. وبالنسبة للجيل القادم من الأدوات فائقة الحساسية، فإن تقليل فقدان الطاقة هذا هو الفارق بين جهاز يعمل وآخر يفشل.

ولحل هذه المشكلة، يتجه الباحثون إلى مواد متطورة يمكن هندستها على المستوى الذري. تخيل لوحة مجهرية، أرق من خيط الشعر، معززة باثنين من أقوى المواد وأكثرها موصلية في العلم: أنابيب الكربون النانوية وصفائح الجرافين. أنابيب الكربون النانوية تشبه القشات المجهرية المجوفة المصنوعة من ذرات الكربون، بينما صفائح الجرافين تشبه الصفائح المسطحة الصغيرة من المادة نفسها. ومن خلال خلط هذه المواد في مصفوفة بوليمر وترتيبها في أنماط محددة، يمكن للعلماء إنشاء مادة صلبة للغاية وقادرة على إدارة الحرارة بطرق فريدة. والسؤال هو، كيف يؤثر ترتيب هذه التعزيزات الصغيرة على فقدان الطاقة في لوحة مهتزة، خاصة عندما تكون اللوحة صغيرة جداً لدرجة أن قوانين الفيزياء التي نستخدمها للجسور والمباني لم تعد تنطبق عليها؟

لقد تصدى فريق من الباحثين في جامعة لانتشو للتكنولوجيا لهذا السؤال من خلال بناء نموذج حاسوبي متطور لمحاكاة سلوك هذه اللوحات المجهرية الهجينة. لم يكتفوا بالنظر في المواد فحسب؛ بل كان عليهم مراعاة حقيقة أنه عند هذا النطاق الصغير، فإن سطح المادة يهم بقدر ما يهم داخلها. كما توجب عليهم مراعاة أن الحرارة لا تنتقل لحظياً، كما تفترض الفيزياء الكلاسيكية، بل تستغرق وقتاً ضئيلاً للتحرك، وهو تأخير يصبح مهماً في الأجهزة المجهرية سريعة الاهتزاز. ومن خلال الجمع بين النظريات التي تصف كيفية تليين أو تصلب المواد في الأحجام الصغيرة مع نموذج يتتبع هذه التأخيرات الضئيلة في تدفق الحرارة، أنشأ الفريق خريطة مفصلة لكيفية فقدان الطاقة في هذه الهياكل.

اختبر الباحثون أربعة طرق مختلفة لترتيب أنابيب الكربون النانوية وصفائح الجرافين داخل اللوحة. في نمط واحد، كانت المواد موزعة بالتساوي في جميع أنحاء اللوحة. وفي نمط آخر، كانت مركزة في المنتصف. وفي نمط ثالث، كانت متجمعة عند السطحين العلوي والسفلي تماماً. وفي النمط الرابع، تم ترتيبها بشكل غير متماثل. كشفت عمليات المحاكاة عن فائز واضح: النمط الذي وضع أقوى المواد عند السطحين العلوي والسفلي أنتج أعلى قدر من فقدان الطاقة، أو التخميد. يحدث هذا لأن الجزء العللي والسفلي من اللوحة المنحنية يتعرض لأكبر قدر من الإجهاد، ووجود المواد الأكثر صلابة هناك يعظم فروق درجات الحرارة التي تدفع تدفق الحرارة. وعلى العكس من ذلك، فإن النمط الذي وضع التعزيزات في المنتصف، حيث يكون الإجهاد في أدنى مستوياته، أدى إلى أقل قدر من فقدان الطاقة. هذا الاكتشاف بالغ الأهمية لأنه يوضح أن المهندسين يمكنهم ضبط مقدار اهتزاز الجهاز ببساطة عن طريق تغيير مكان وضع المواد النانوية.

كما كشفت الدراسة كيف يغير حجم الجهاز القواعد. فعندما تكون اللوحة رقيقة جداً، يعمل سطح المادة مثل جلد صلب، مما يجعل الهيكل بأكمله أصعب في الانحناء. هذا التأثير السطحي يثبط فقدان الطاقة، ولكن حتى نقطة معينة فقط. وجد الباحثون أنه بالنسبة للنمط ذي التعزيزات في المنتصف، ظل هذا التأثير السطحي مهماً حتى عندما كانت اللوحة سميكة نسبياً. أما بالنسبة للنمط ذي التعزيزات على السطح، فقد اختفى التأثير في وقت أقرب، عند حوالي 2.5 نانومتر. وهذا يعني أنه بالنسبة لبعض التصاميم، يجب مراعاة الخصائص السطحية حتى في المكونات الأكبر قليلاً، بينما بالنسبة لتصاميم أخرى، لا تهم إلا في الأجهزة الأكثر صغراً.

لعبت درجة الحرارة دوراً مفاجئاً في النتائج. فمع ارتفاع درجة الحرارة، زاد فقدان الطاقة، ولكن ليس في خط مستقيم. لقد نما الفقد بسرعة مع انتقال درجة الحرارة من البرودة إلى درجة حرارة الغرفة، ولكن معدل النمو تباطأ بشكل كبير بمجرد تجاوز 293 كلفن، أي حوالي 20 درجة مئوية. وهذا يشير إلى أنه بينما ستفقد هذه الأجهزة المزيد من الطاقة في البيئات الحارة، إلا أن هناك حداً طبيعياً لكيفية زيادة الفقد، مما يوفر درجة من القدرة على التنبؤ للمصممين العاملين في مناخات متنوعة.

كانت هندسة التعزيزات الصغيرة مهمة أيضاً، ولكن بطريقة محددة للغاية. فقد كان لسماكة أنابيب الكربون النانوية تأثير كبير على فقدان الطاقة. إذ إن جعل الأنابيب أكثر سماكة غير كيفية توصيلها للحرارة ونقلها للإجهاد، مما سمح للمهندسين بضبط التخميد بدقة. ومع ذلك، فإن تغيير سماكة صفائح الجرافين لم يكن له أي تأثير تقريباً. هذا التمييز حيوي للتصنيع، لأنه يخبر المهندسين أنه يمكنهم تركيز دقتهم على الأنابيب النانوية بينما يتمتعون بمرونة أكبر مع الصفائح.

أخيراً، نظر الباحثون في شكل اللوحة وطريقة اهتزازها وتأثير ذلك على النتائج. ووجدوا أن جعل اللوحة أطول وأرق يقلل من فقدان الطاقة، وهو أمر مفيد لإنشاء مستشعرات عالية الدقة تحتاج إلى الاهتزاز لفترة طويلة دون توقف. ومع ذلك، اكتشفوا أيضاً انخفاضاً غريباً في فقدان الطاقة لنمط محدد عندما يتراوح سمك اللوحة بين 8 و10 وحدات ذرية (AU)، وهو سلوك ناتج عن التفاعل المعقد بين الصلابة السطحية والمادة الداخلية. علاوة على على ذلك، عندما اهتزت اللوحة في أنماط أكثر تعقيداً وذات ترددات أعلى، انتقل فقدان الطاقة نحو اللوحات الأرق، وأصبح تأثير السطح أكثر هيمنة.

يوفر هذا العمل دليلاً واضحاً للتصميم المستقبلي للآلات المجهرية. فهو يوضح أنه من خلال الاختيار الدقيق لمكان وضع أنابيب الكربون النانوية وصفائح الجرافين، ومن خلال فهم كيفية تفاعل السطح ودرجة الحرارة، يمكن للمهندسين تصميم أجهزة يمكنها إما الحفاظ على اهتزازها لفترة طويلة أو تخميده بسرعة لمنع الاهتزاز غير المرغوب فيه. وتؤكد الدراسة أن القواعد القديمة للهندسة لا تنطبق في هذا النطاق، وأن فهماً جديداً لكيفية تفاعل الحرارة والحركة في المواد الهجينة أمر ضروري لبناء الجيل القادم من التكنولوجيا.