رغوة جانوس المزدوجة لإدارة حرارية اتجاهية

لماذا يهم توجيه تدفّق الحرارة

من الحفاظ على راحة المباني إلى استخلاص الحرارة الضائعة من المصانع، يُعد التحكم الفعال في الحرارة محورياً لمستقبلنا الطاقي. ومع ذلك، تسمح معظم المواد للحرارة بالتشتت في جميع الاتجاهات. تقدم هذه الدراسة نوعاً جديداً من الرغوة الخفيفة التي تسمح للحرارة بالمرور بسهولة أكبر في اتجاه واحد مقارنة بالاتجاه الآخر، شبيهة بصمام كهربائي للدفء. من خلال الجمع بين تحكم ذكي في ضوء الشمس وتوصيل حراري أحادي الاتجاه، يمكن للمادة أن تساعد في تلطيف تقلبات درجة الحرارة اليومية وجمع الطاقة الحرارية المهدرة.

رغوة بوجهين مختلفين جداً

بنى الباحثون مادّتهم كرغوة «جانوس» سُميت على اسم الإله الروماني ذي الوجهين. أحد وجوه الرغوة داكن ويمتص ضوء الشمس بقوة، محولاً الضوء إلى حرارة. أما الوجه الآخر فباياض ومعكس لمعظم ضوء الشمس، فيبقى أبرد بكثير. داخل الرغوة مسامات كثيرة، لكن الطبقتين تختلفان في حجم المسام وبمكونات طفيفة. تحقق هذا التصميم المزدوج باستخدام جزيئات «جانوس» مصنعة خصيصاً تميل لكل من الزيت والماء، مما أتاح للفريق إنشاء مستحلبات سائلة مكدسة تتصلب لتصبح إسفنجاً صلباً ذا طبقتين.

تحويل الضوء إلى دفء أحادي الاتجاه

إضافة كمية صغيرة من مضاف كربوني أسود إلى طبقة واحدة فقط يغير بشكل دراماتيكي سلوك الرغوة تحت ضوء الشمس. الجانب الداكن الغني بالمضاف يمتص معظم الطاقة الشمسية الواردة ويسخن بسرعة، بينما يعكس الجانب المقابل معظم الضوء ويظل أبرد نسبياً. تُظهر القياسات أنه في النسخة الأكثر تطرفاً، يعكس أحد وجوه الرغوة نسبة قليلة فقط من ضوء الشمس في حين يعكس الوجه الآخر نحو تسعين بالمئة تقريباً. ونتيجة لذلك، يمكن لنفس قطعة الرغوة أن تعمل إما كمسخن شمسي أو كمظلّ للحرارة الشمسية، اعتماداً على أي وجه اتجه نحو السماء.

توجيه الحرارة مثل شارع أحادي الاتجاه

بعيداً عن تفاعلها مع الضوء، توصل الرغوة الحرارة بشكل غير متناظر أيضاً. وبما أن الطبقتين لهما هياكل مسام مختلفة—ولأن طبقة واحدة فقط محمّلة بملء موصّل حرارياً—تنتقل الحرارة أسرع عندما تدخل من جهة ذات توصيلية عالية ومسامات صغيرة مقارنة بالاتجاه المعاكس. أظهرت تجارب استخدمت سخاناً صغيراً وحسّاساً محشورين بين قطعتين من الرغوة أن التدفق الحراري الفعّال في الاتجاه «السهل» يزيد أكثر من ضعفين مقارنة بالاتجاه «الصعب»، وهو تأثير تقويم قوي لمادة صلبة سميكة.

من عينات المختبر إلى البيئات الحقيقية

لمعرفة كيف يتجلى هذا السلوك المزدوج عملياً، عرّض الفريق ألواح الرغوة لضوء شمسي محاكى ورصدوا درجات الحرارة على كلا الوجهين المشموس والمظلّل. عندما كان الوجه الداكن الممتص في الأعلى، أصبح الجانب السفلي—الذي يمثل جسماً محميّاً—أكثر دفئاً بوضوح مقارنةً بوضع الوجه العاكس في الأعلى. بالمقارنة مع تصميم أحادي الطبقة أبسط، ضاعفت رغوة جانوس المزدوجة فرق الحرارة بين الاتجاهين أكثر من عشرين مرة. ثم وسّع الباحثون الرغوة إلى ألواح بعرض بضعة عشرات من السنتيمترات وغطّوا بها نماذج منازل صغيرة في الهواء الطلق. في ظروف مشمسة وغائمة وحتى ضبابية أو مطرية، بقيت المنازل المغطاة بالرغوة في وضعية «التدفئة» أكثر دفئاً داخلياً باستمرار من تلك التي كانت الرغوة لديها مقلوبة، مع الاستفادة في الوقت نفسه من خصائص العزل العامة للرغوة.

ماذا يعني هذا للاستخدام الطاقي اليومي

بكلمات بسيطة، تتصرّف رغوة جانوس المزدوجة مثل سطح رقيق ومرن يمكنه أن يقرر متى يستقبل الحرارة ومتى يمنعها—ويفعل ذلك بفعالية أكبر في اتجاه واحد مقارنة بالآخر. من خلال الجمع بين امتصاص شمسي قوي على وجه واحد وتدفّق حراري أحادي الاتجاه عبر الداخل، تستطيع المادة تحويل تقلبات الحرارة الطبيعية، مثل دورات النهار-الليل أو التسخين الدوري للمعدات الصناعية، إلى تدرّجات حرارية مستقرة ومفيدة. وهذا يجعلها لبنة واعدة لأنظمة مستقبلية تقوم بتثبيت درجات الحرارة الداخلية سلبياً، أو حفظ الحرارة عندما وأينما تكون مطلوبة، أو تشغيل أجهزة تحول الدفء المهدور إلى كهرباء، وكل ذلك من دون استهلاك طاقة إضافية.

الاستشهاد: Jiang, C., He, X., Zheng, X. et al. Dual Janus foam for directional thermal management. Nat Commun 17, 2251 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69140-6

الكلمات المفتاحية: إدارة حرارية, رغوة جانوس, التبريد والتدفئة السلبية, مقوّم حراري أحادي الاتجاه, حصاد الطاقة