Construction and performance test of high stability heat storage microcapsules based on physical regulation of nano-SiO2

في أعماق الأرض، حيث يستخرج عمال المناجم الموارد التي تشغل الحياة الحديثة، تصبح الأرض نفسها خطراً. في هذه الأنفاق العميقة، تكون الصخور ساخنة جداً لدرجة أن درجات الحرارة يمكن أن تتجاوز أربعين درجة مئوية، مما يخلق بيئة خانقة تهدد صحة العمال وسلامة العمليات. ولمكافحة ذلك، يتجه المهندسون إلى حل ذكي: ملء المساحات الفارغة التي تتركها عمليات التعدين بنوع خاص من الخرسانة يمكنه امتصاص وتخزين الحرارة، ليعمل كإسفنجة حرارية لتبريد المنجم. المكون الرئيسي في هذه الإسفنجة هو البارافين، وهي نفس المادة الشمعية الموجودة في الشموع، والتي تتميز بقدرة ممتازة على امتصاص الحرارة أثناء انصهارها. ومع ذلك، فإن للبارافين عيباً قاتلاً لهذا العمل: فعندما يسخن، يتحول إلى سائل ويتسرب، مما يؤدي إلى إتلاف قوة الخرسانة ويسبب فوضى. ولحل هذه المشكلة، يقوم العلماء بتغليف البارافين بغلاف واقٍ صغير، وتحويله إلى كبسولة مجهرية تظل صلبة ومحتواة حتى مع ارتفاع الحرارة.

وضع فريق من الباحثين من جامعة شاندونغ للعلوم والتكنولوجيا وجامعة هنان للهندسة خطة لصنع هذه الكبسولات الصغيرة لتكون أقوى وأكثر أماناً. كانوا يعلمون أن الأغلفة، المصنوعة من راتنج صناعي شائع، غالباً ما تكون ضعيفة جداً وقد تسرب مواد كيميائية سامة أثناء عملية تصنيعها. ولحل هذين المشكلين في آن واحد، أدخلوا كمية ضئيلة من النانو-سيليكا، وهي في الأساس غبار زجاجي مجهري، في الخليط. أرادوا معرفة ما إذا كان هذا المسحوق الناعم يمكنه تعزيز الغلاف مثل قضبان التسليح في الخرسانة، وفي الوقت نفسه يعمل كإسفنجة لامتصاص المواد الكيميائية السامة غير المرغوب فيها المتبقية من عملية التصنيع. ومن خلال ضبط كمية النانو-سيليكا المضافة بعناية، اكتشفوا توازناً دقيقاً أنتج مادة متفوقة جاهزة للظروف القاسية في المناجم العميقة.

بدأ الباحثون بخلط الشمع والراتنج والنانو-سيليكا في محلول مائي، باستخدام عملية تبني طبقة الغلاف طبقة تلو الأخرى حول قطرات الشمع السائل. واختبروا خمس كميات مختلفة من النانو-سيليكا، تتراوح من عدم وجودها تماماً إلى نسبة مئوية صغيرة، لمعرفة كيف سيغير المسحوق المنتج النهائي. وعندما فحصوا الكبسولات تحت مجهر قوي، كان الفرق واضحاً. فالكبسولات المصنوعة بدون أي نانو-سيليكا كانت ذات أسطح خشنة بها ثقوب وتنقرات صغيرة، مثل قطعة بسكويت مخبوزة بشكل سيء وانكمشتت بشكل غير متساوٍ. كانت هذه العيوب خطيرة لأنها وفرت مسارات هروب للشمع للتسرب لاحقاً. ومع إضافة المزيد من النانو-سيليكا، أصبح السطح أكثر نعومة وكثافة؛ حيث ملأت جزيئات الزجاج الدقيقة الفجوات المجهرية، مما خلق جلداً محكماً وسلساً. ومع ذلك، فإن إضافة الكثير من المسحوق تسببت في تكتل الجزيئات معاً لتشكل كتلًا صلبة، مما أدى في الواقع إلى خلق شقوق ونقاط ضعف جديدة في الغلاف. وقد تم العثور على "النقطة المثالية" عند جرعة محددة ومنخفضة حيث تكون الجزيئات منتشرة بشكل مثالي، تملأ الثقوب دون أن تتكتل.

بعد الحصول على أفضل الكبسولات مظهراً، اختبر الفريق مدى قدرتها على تخزين الحرارة. قاموا بتسخين الكبسولات وراقبوا كيف تنصهر وتبرد مرة أخرى. أدت الكبسولات التي تحتوي على الكمية المثلى من النانو-سيليكا أداءً استثنائياً. فقد انصهرت عند درجة حرارة أقل بقليل من ست وأربعين درجة مئوية، وهو أمر مثالي لامتصاص الحرارة في منجم عميق. والأهم من ذلك، أنها احتفظت بقدر يقرب من نفس كمية الطاقة الحرارية التي يحتفظ بها الشمع النقي، مما يثبت أن الغلاف لم يعق المهمة الرئيسية للمادة. كما ساعد النانو-سيليكا الشمع على التجمد مجدداً إلى حالة صلبة بسرعة أكبر عند تبريده، مما قلل من ظاهرة تسمى "التبريد الفائق" حيث يظل السائل سائلاً حتى عندما ينبغي أن يتجمد. وهذا يعني أن الكبسولات يمكن أن تستجيب بشكل أسرع للتغيرات في درجات الحرارة، مما يجعل نظام التبريد أكثر كفاءة.

تناولت الدراسة أيضاً الجانب البيئي لصنع هذه الكبسولات. فعملية إنشاء غلاف الراتنج عادة ما تترك وراءها مياهاً ملوثة بالفورمالديهايد الحر، وهو مادة كيميائية سامة. ووجد الباحثون أن النانو-سيليكا عمل كالمغناطيس لهذه السموم. فمع زيادة كمية النانو-سيليकै، انخفضت كمية الفورمالديهايد السام المتبقي في المياه بشكل كبير. وعند الجرعة المثلى، أزال النانو-سيليكا أكثر من عشرين بالمائة من الفورمالديهايد من مياه الصرف الصحي. وهذا يعني أن المادة لم تكن فقط أفضل في أداء وظيفتها، بل كانت أيضاً أنظف في الإنتاج، مما يقلل من التلوث المرتبط بإنشائها.

ولإثبات أن هذه الكبسولات الصغيرة يمكن أن تنجو في العالم الحقيقي، خلط الباحثون هذه الكبسولات في دفعة من الخرسانة المصممة لردم المناجم. وقارنوا هذا الخليط بخليط يحتوي على شمع خام غير مغلف وبخليط ضابط قياسي لا يحتوي على أي شمع على الإطلاق. انهارت الخرسانة التي تحتوي على الشمع الخام غير المغلف تحت الضغط لأن الشمع السائل تسرب وأضعف الروابط بين الصخور والأسمنت. في المقابل، حافظت الخرسة التي تحتوي على كبسولات مدعمة بالنانو-سيليكا على شكلها وقوتها بشكل يقارب الخرسانة القياسية التي لا تحتوي على أي شمع. لقد حمت الأغلفة الصغيرة الشمع بداخلها، مما منع تسربه وإتلاف الهيكل، بينما كان الغلاف المدعم نفسه قوياً بما يكفي لتحمل وزن الصخور المحيطة الساحق.

كان الاستنتاج النهائي واضحاً: إن إضافة كمية صغيرة ودقيقة من النانو-سيليكا تخلق كبسولة مخزنة للحرارة، أقوى وأكثر كفاءة وصديقة للبيئة من النسخ السابقة. تنجح هذه المادة في حل مشكلتي التسرب والضعف الهيكلي، مما يجعلها مرشحاً قابلاً للتطبيق لتبريد المناجم العميقة. ومن خلال تحويل شمع بسيط إلى لبنة بناء قوية ممتصة للحرارة، يقدم هذا البحث مساراً عملياً نحو ظروف عمل أكثر أماناً وراحة في أعمق أجزاء الأرض، حيث تكون الحرارة في أقصى شدتها.