Graphene Oxide Aerogels with Ultra-Low Thermal Conductivity

الحرارة مسافرة لا تهدأ. في العالم الحديث، حيث تستهلك المباني جزءاً هائلاً من الطاقة العالمية لمجرد الحفاظ على درجات الحرارة المريحة في داخلها، تمثل المعركة ضد فقدان الحرارة غير المرغوب فيه تحدياً مركزياً. إن المواد التي نستخدمها لبناء منازلنا، وخاصة الإسمنت والخرسانة القياسية، غالباً ما تكون ضعيفة في منع هذا التدفق، مما يسمح للدفء بالهروب في الشتاء وللحرارة بالدخول في الصيف. ولحل هذه المشكلة، يتطلع العلماء نحو فئة من المواد تسمى "الأيروجيل" (aerogels). هذه المواد خفيفة جداً ومليئة بالهواء لدرجة أنها تعمل كحواجز استثنائية للحرارة. تخيل مادة صلبة هي في الواقع عبارة عن فراغ شبه كامل، إسفنجة مصنوعة من مادة صلبة حيث الثقوب فيها دقيقة للغاية وكثيرة جداً لدرجة أنها تحبس الهواء بفعالية تمنعه من الحركة لنقل الدفء بعيداً. لقد كان هذا المفهوم هدفاً طويلاً للكفاءة في استهلاك الطاقة، لكن إيجاد طريقة لصنع هذه المواد بتكلفة منخفضة وببساطة وخصائص يمكن التحكم بها لا يزال يشكل عقبة.

لقد اتخذ فريق من الباحثين في جامعة باتراس ومؤسسة البحث والتكنولوجيا في اليونان خطوة كبيرة نحو هذا الهدف من خلال العمل مع شكل من أشكال الكربون يُعرف باسم "أكسيد الجرافين". تبدأ هذه المادة كمادة هلامية سميكة تشبه الهلام عند خلطها بالماء، وتُعرف باسم "الهيدروجيل" (hydrogel)، ويمكن تحويلها إلى صلب جاف يشبه الإسفنج يسمى "أيروجيل". أراد الباحثون فهم كيف يغير هيكل هذه المادة قدرتها على توصيل الحرارة بدقة. أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانهم ابتكار نسخة مسامية وخفيفة للغاية لدرجة أنها تمنع الحرارة من المرور تماماً، مما يجعلها عازلاً فائقاً للمباني والتطبيقات الأخرى.

بدأ الفريق بإنشاء خليط سائل مستقر من صفائح أكسيد الجرافين. قاموا بسكب هذا الخليط في قوالب وسخنه بلطف. ومع تبخر الماء، ارتبطت صفائح الكربون الصغيرة ببعضها البعض تلقائياً، مكونة شبكة ثلاثية الأبعاد مستمرة. هذه العملية خلقت "هيدروجيل" يتكون معظمه من الماء ولكنه متماسك بواسطة إطار صلب. وعندما قاسوا مدى جودة توصيل هذا الهيكل الرطب الشبيه بالهلام للحرارة، وجدوا أنه فعال بشكل مفاجئ في نقل الطاقة. فقد انتقلت الحرارة عبر المادة بمعدل 1.50 واط لكل متر لكل كلفن. حدثت هذه القيمة العالية لأن الصفائح كانت متراصة بالقرب من بعضها البعض، مما خلق مساراً مستمراً وكثيفاً لتتبع الحرارة، تماماً مثل ممر مزدحم حيث يمكن للناس التحرك بسرعة من طرف إلى آخر.

ولصنع عازل حقيقي، احتاج الباحثون إلى تغيير هذا الهيكل الكثيف إلى شيء أكثر انفتاحاً. أخذوا "الهيدروجل" وأخضعوه لعملية كيميائية أزالت ذرات الأكسجين المرتبطة بصفائح الكربون، محولة المادة إلى "أكسيد الجرافين المختزل". ثم قاموا بإزالة جميع المياه المتبقية بعناية دون سحق الهيكل الدقيق، وهي تقنية تُعرف باسم "التجفيف عند الضغط المحيط". وكانت النتيجة "أيروجيل" فائق الخفة يتكون من 99 بالمائة من الهواء. كانت هذه المادة خفيفة جداً لدرجة أن السنتيمتر المكعب منها يزن حوالي 26 مليجراماً فقط. وعندما اختبر الفريق هذا الصلب الجاف الشبيه بالإسفنج، كانت النتائج مذهلة؛ فقد انخفضت الموصلية الحرارية إلى 0.021 واط لكل متر لكل كلفن فقط. هذه القيمة أقل بكثير من العديد من مواد العزل القياسية المستخدمة في البناء اليوم، وهي من بين أدنى القيم المسجلة لهذا النوع من المواد القائمة على الجرافين.

يعود الفرق الهائل بين الهلام الرطب والأيروجيل الجاف إلى كيفية انتقال الحرارة من خلالهما. في "الهيدروجيل" الكثيف، تتلامس صفائح الكربون الصلبة بشكل متكرر، مما يسمح للحرارة بالتدفق بسهولة. أما في "الأيروجيل"، فإن الإطار الصلب نحيف ومتفرق للغاية، وتفصل بين أجزائه جيوب واسعة من الهواء. تجد الحرارة صعوبة في عبور هذه الفجوة لأن المسار الصلب منقطع، كما أن الهواء المحبوس في المسام الصغيرة لا يمكنه التحرك بحرية لنقل الطاقة. لاحظ الباحثون أن هيكل الأيروجيل يتسبب في تشتت الاهتزازات الناقلة للحرارة، والمعروفة باسم "الفونونات" (phonons)، وجعلها ترتد وتتشتت بدلاً من السفر في خط مستقيم. هذا التشتت، جنباً إلى جنب مع نقص المادة الصلبة لتوصيل الحرارة، يحجب تدفق الطاقة بفعالية.

وللوصول إلى هذه الاستنتاجات، طور الفريق طريقة عملية وسهلة للوصول إلى هذه الخصائص دون الاعتماد على معدات مختبرية باهظة الثمن ومتخصصة. استخدموا كاميرا حرارية قياسية لمراقبة السرعة التي تبرد بها الأفلام المسخنة من المادة، واستخدموا إعداداً مصمماً خصاً لقياس كيفية انتقال الحرارة عبر عينات الهلام والأيروجيل الأكثر سمكاً. ومن خلال الجمع بين هذه الملاحظات وقياسات كمية الطاقة التي يمكن للمواد تخزينها، تمكنوا من حساب الموصلية الحرارية بثقة. ويؤكد عملهم أن المفتاح لإنشاء عازل فائق لا يكمن فقط في المادة نفسها، بل في كيفية ترتيبها. فمن خلال التحكم في المسامية والروابط بين الصفائح، أثبتوا أن نفس المادة الأساسية يمكن ضبطها لتكون إما موصلة للحرارة بكفاءة أو حاجبة لها تماماً.

تشير النتائج إلى أن هذه الهلاميات المشتقة من الجرافين توفر مساراً واعداً للإدارة الحرارية من الجيل القادم. إن القدرة على إنتاج مادة ذات موصلية حرارية منخفضة جداً باستخدام عملية كيميائية بسيطة نسبياً وطريقة تجفيف مباشرة تجعلها مرشحة قوية للاستخدام في العالم الحقيقي. وأشار الباحثون إلى أنه بينما حققت دراسات أخرى قيم موصلية أقل، إلا أن تلك الدراسات غالباً ما تطلبت طرقاً أكثر تعقيداً أو تكلفة. توازن المادة الموصوفة هنا بين الأداء الفائق ومسار تصنيع يسهل تكراره. يسلط هذا العمل الضوء على أن مستقبل مواد البناء الموفرة للطاقة قد يكمن في التلاعب بالبنية المجهرية للكربون، وتحويل مادة جيدة بطبيعتها في توصيل الحر "إلى واحدة من أفضل العوازل المعروفة، ببساطة عن طريق جعلها عبارة عن فراغ في معظمها".