Construction of 0D/2D M/rGO@EuMOF Multiscale Heterostructures for Integrated High-Efficiency Microwave Absorption and Corrosion Protection

في عالم الهندسة البحرية والدفاع الحديثة المعقد، تواجه المواد تهديداً مزدوجاً يصعب حله في آن واحد. فمن ناحية، يمكن لأنظمة الرادار المتقدمة اكتشاف الأجسام من مسافات شاسعة، مما يجعل التخفي مطلباً حيوياً للسفن والطائرات. وللاختباء، تحتاج هذه السفن إلى طلاءات يمكنها ابتلاع موجات الرادار بدلاً من عكسها. ومن ناحية أخرى، يمثل المحيط نفسه عدواً لا يهدأ؛ حيث تهاجم المياه المالحة والرطوبة الأسطح المعدنية باستمرار، مما يسبب الصدأ والتحلل الهيكلي الذي يمكن أن يدمر السفينة في النهاذ. لعقود من الزمن، كافح العلماء لابتكار مادة واحدة يمكنها القيام بالمهمتين معاً: امتصاص الطاقة الكهرومغناطيسية لتظل غير مرئية، وتشكيل حاجز قوي لمنع التآكل. وعادة ما تفشل المواد الجيدة في مهمة واحدة في المهمة الأخرى، أو تتدهور بسرعة في البيئات القاسية.

قام فريق من الباحثين من مجموعة "AVIC Chengdu Aircraft Industrial Group" وجامعة "Southwest Jiaotong" بتطوير نهج جديد لهذه المشكلة من خلال بناء مادة مركبة تجمع بين نوعين متميزين من الهياكل. لقد أنشأوا نظاماً هجيناً حيث يتم تثبيت جسيمات كروية صغيرة على طبقات مسطحة تشبه الصفائح. يسمح هذا التصميم للمادة بأن تعمل كدرع متطور ضد كل من موجات الرادار والعناصر المسببة للتآكل في البحر. ومن خلال الموازنة الدقيقة لكمية هذه الجسيمات، حقق الفريق طلاءً لا يمتص إشارات الرادار بكفاءة عالية فحسب، بل يحمي الفولاذ أيضاً من الصدأ لأسابيع في المياه المالحة، مما يوفر مساراً واعداً نحو معدات بحرية أكثر متانة وتخفياً.

بدأ الباحثون بمادة تُعرف باسم "MBene"، وهي نوع من الصفائح ثنائية الأبعاد المكونة من الحديد والألومنيوم والبورون. هذه الصفائح مغناطيسية وموصلة بطبيعتها، وهي خصائص مفيدة للتفاعل مع الموجات الكهرومغناطيسية. ولجعلها أكثر فعالية، قام الفريق بإرفاق طبقة من أكسيد الجرافين المختزل، وهو مادة كربون موصلة، بسطح صفائح الـ "MBene". تمثلت الخطوة التالية في تنمية مكون ثالث مباشرة فوق هذا الأساس: كرات صغيرة مصنوعة من إطار عضوي معدني يحتوي على عنصر اليوروبيوم. تمت تنمية هذه الكرات في مكانها باستخدام عملية "هيدروحرارية"، مما يعني أنها تشكلت في محلول مائي ساخن. وكانت النتيجة هيكلاً تعمل فيه الصفائح المسطحة كدعامة للكرات ثلاثية الأبعاد، مما خلق واجهة متعددة المقاييس حيث يلتقي النوعان من المواد.

اختبر الفريق كيف يؤثر اختلاف كميات كرات اليوروبيوم على أداء المادة. ووجدوا أن كمية الكرات كانت أمراً حاسماً؛ فإذا كانت قليلة جداً، لم تمتص المادة موجات الرادار بالقدر المطلوب، وإذا كانت كثيرة جداً، تكتلت الكرات وسدت المسارات الموصلة، مما جعل المادة تعكس الموجات بدلاً من امتصاصها. تم العثق على أفضل توازن في عينة محددة أطلقوا عليها اسم "MG@E3". حققت هذه العينة حداً أدنى من فقدان الانعكاس قدره -54.02 ديسيبل عند سمك 2.1 ملم. ومن الناحية العملية، هذا يعني أنه عندما تصطدم موجات الرادار بهذا الطلاء، يتم امتصاص معظم الطاقة وتبديدها كحرارة بدلاً من ارتدادها إلى مستقبل الرادار. كما حافظت المادة على نطاق واسع من الترددات التي كانت فعالة فيها، حيث امتصت الموجات عبر عرض نطاق ترددي قدره 4.5 جيجاهرتز بسمك 1.4 ملم فقط.

تعتمد الآلية وراء هذا النجاح على التفاعل الفريد بين الصفائح المسطحة والكرات. فعندما تدخل موجات الرادار إلى المادة، تساعد الشبكة الموصلة للصفائح والخصائص المغناطيسية لـ "MBene" في إبطاء الموجات وحبسها. وتخلق الواجهة بين الصفائح المسطحة والجسيمات الكروية منطقة تتراكم فيها الشحنات الكهربائية وتتذبذب، وهي عملية تُعرف باسم "الاستقطاب البيني". يقوم هذا التذبذب بتحويل طاقة موجة الرادار إلى حرارة. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الجزيئات العضوية داخل الكرات كمراكز تعمل على تشتيت الموجات بشكل أكبر. وقد أكد الباحثون من خلال عمليات المحاكاة الحاسوبية أن هذا الترتيب المحدد يسمح للموجات بالدخول إلى المادة بسلاسة دون أن تنعكس عن السطح، ثم تُحبس وتُدمر في الداخل.

بالإضافة إلى قدرتها على الاختباء من الرادار، أثبتت المادة أيضاً أنها واقٍ ممتاز ضد التآكل. قام الباحثون بطلاء ألواح فولاذية بهذه المادة المركبة وغمرونها في محلول ملحي لمدة 21 يوماً. وقاسوا مدى نجاح الطلاء في منع صدأ الفولاذ عن طريق اختبار مقاومتها الكهربائية. حافظت أفضل عينة أداءً في هذه الفئة، وهي "MG@E2"، على كفاءة حماية بلغت 9 نسبة 94.8 بالمائة بعد ثلاثة أسابيع في الماء المالح. تأتي هذه المستويات العالية من الحماية من الهيكل الفيزيائي للطلاء؛ إذ تخلق الصفائح المسطحة مساراً طويلاً ومتعرجاً يجب أن تسلكه الأملاح والمياه المسببة للتآكل للوصول إلى المعدن الموجود تحتها، وهي ظاهرة تُسمى غالباً "تأثير المتاهة". وتملأ الجسيمات الكروية الفجوات والثقوب الصغيرة بين الصفائح، مما يجعل الحاجز أكثر إحكاماً وأصعب أمام اختراق العوامل المسببة للتآكل.

كما بحثت الدراسة في كيفية أداء المادة في سيناريو واقعي من خلال محاكاة المقطع العرضي للرادار، وهو مقياس لمدى رؤية جسم ما بواسطة الرادار. أظهرت عمليات المحاكاة أن الطلاء يمكن أن يقلل من البصمة الرادارية للهدف بنحو 31.85 ديسيبل. هذا الانخفاض الكبير يعني أن سفينة أو طائرة مطلية بهذه المادة ستظهر أصغر بكثير لنظام الرادار، مما يجعل اكتشافها أصعب بكثير. وأشار الباحثون إلى أن أداء المادة يعتمد بشكل كبير على التوازن الدقيق لمكوناتها؛ فالمكون الكروفي الزائد عن الحد يعطل الشبكة الموصلة، بينما الكمية القليلة جداً تفشل في توفير مراكز استقطاب كافية لامتصاص الموجات.

يُظهر هذا العمل أنه من الممكن هندسة مادة واحدة تعالج اثنتين من أصعب المشكلات في الدفاع البحري: التخفي والمتانة. فمن خلال تنمية الجسيمات الكروية مباشرة على صفائح مغناطيسية موصلة، أنشأ الباحثون واجهة مستقرة تعزز كلاً من الامتصاص الكهرومغناطيسي وخصائص الحاجز الفيزيائي. وتشير النتائج إلى أنه من خلال التحكم الدقيق في تكوين المادة، يمكن إنشاء طلاءات ليست فعالة في إخفاء الأجسام عن الرادار فحسب، بل قوية أيضاً لتحمل الظروف القاسية للمحيط لفترات طويلة. وتوفر الدراسة أساساً تجريبياً واضحاً لتصميم أنظمة حماية مستقبلية يمكنها العمل بموثوقية في بيئات معقدة دون التضحية بوظيفة على حساب الأخرى.