الطباعة الرباعية الأبعاد المحفَّزة بالليزر لمخلوط Fe-Co-V المغناطيسي الانضغاطي

قطع معدنية يمكنها تغيير شكلها عند الطلب

تخيّل جناح طائرة أو هوائي سفينة أو غلاف واقٍ ينحني برفق إلى شكل جديد عندما يصيبه شعاع ضوئي — بدون مفصلات أو محركات أو أسلاك. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن صناعة مثل هذه الأجزاء المعدنية «الحية» من خلال دمج الطباعة ثلاثية الأبعاد المتقدمة مع فئة خاصة من المواد المغناطيسية وليزر موجه بعناية، مما يفتح طرقًا لمعدات بحرية وجوية أكثر ذكاءً.

من معدن ثابت إلى قطع قابلة لتغيير الشكل

الأجزاء المعدنية التقليدية تكون مجمدة في الأشكال التي صُبوبت أو شُقت بها. هنا عمل الباحثون مع سبيكة Fe–Co–V ذات الخاصية المغناطيسية الانضغاطية، وهي مادة تمتد أو تنكمش قليلاً عند تعرّضها لحقل مغناطيسي ويمكنها أيضًا تحويل الإجهاد إلى تغيّر مغناطيسي. باستخدام انصهار مسحوق المعدن بالليزر، وهي طريقة شائعة للطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، يصنعون أولًا قطعًا «بداية» مسطحة أو منحنية برفق في بعدين. هذه القطع قوية ومقاومة للحرارة ومتجاوبة مغناطيسيًا، لكنها لا تُظهر بعد حركات كبيرة ومرئية. الفكرة الأساسية للفريق هي اعتبار هذه الأجزاء المطبوعة خامات قابلة للبرمجة يمكن إعادة تشكيلها لاحقًا.

كتابة أشكال جديدة بالليزر

بعد الطباعة، يُستخدم نفس نوع الليزر بطريقة مختلفة تمامًا — ليس لبناء الجزء طبقة بطبقة، بل لمسح مناطق سطحية محددة. هذا المسح يسخّن مسارات ضيقة، محدثًا تدرجات حادة في الحرارة والإجهاد عبر سماكة المعدن. ومع تبريد المناطق الساخنة بشكل غير متكافئ، تُعاد ترتيب الضغوط الداخلية بشكل دائم، وينحني الجزء أو يلتف حيث مرّ الشعاع. بتغيير سرعة تحرك الليزر، وقوته، والمناطق التي يزورها، وعدد مرات المسح، يستطيع الفريق ضبط الأشكال النهائية والصلابة من نفس التصميم الأصلي. يعرضون طيات بسيطة، انحناءات متدرجة على نمط يشبه الترس، وأشكال أكثر تعقيدًا تحاكي أجنحة الخفافيش وأزهارًا تغلق ويدًا بشرية تُكوّن إيماءة.

ربط تغير الشكل بالسلوك المغناطيسي

خطوة إعادة التشكيل تفعل أكثر من مجرد ثني المعدن. على المستوى الميكروي، تُعيد عمليات التسخين والتبريد ترتيب الشبكة البلورية للسبيكة والمناطق المغناطيسية الصغيرة داخلها إلى حد ما. تُظهر الاختبارات أن الأجزاء المعالجة بالليزر تتميز بأسطح أكثر سلاسة، وعيوب أقل، وتوزيعات عناصر أكثر انتظامًا من القطع كما طُبعت. ونتيجة لذلك، عند تطبيق حقل مغناطيسي تظهر العينات المعاد تشكيلها انفعالًا مغناطيسيًا انضغاطيًا أكبر — أي أنها تغير طولها بشكل أقوى وأكثر توقعًا — دون فقدان استقرارها المغناطيسي عند درجات الحرارة المرتفعة. تحافظ المادة على مغنطتها العالية وقابليتها للمقاومة (coercivity)، لكنها الآن تستجيب بكفاءة أكبر للحقول المغناطيسية، وهو أمر حاسم للمجسات والمشغلات ومحولات الطاقة.

حماية الإلكترونيات من الضوضاء غير المرئية

يجب حماية الطائرات والمركبات والأجهزة الحديثة من الموجات الكهرومغناطيسية الشاذة التي قد تُزعج الدوائر الحساسة. يختبر المؤلفون عيناتهم القابلة لتغيير الشكل كألواح حجب عبر نطاق واسع من الترددات العالية المستخدمة في الرادار والاتصالات. سواء قبل المعالجة بالليزر أو بعدها، تحجب الألواح وتمتص جزءًا كبيرًا من الموجات الواردة، مع فعّالية حماية إجمالية غالبًا فوق عشرات الديسيبل. بعد التحفيز بالليزر، تُجري التغيرات الطفيفة في خشونة السطح وطبقات الأكسيد والبنية الداخلية سلوك حماية أكثر قابلية للضبط. في بعض النطاقات تمتص الأجزاء المعاد تشكيلها بشكل أفضل، بينما في أخرى تعكس أكثر، مما يوحي بأن جزءًا مطبوعًا واحدًا يمكن إعادة تهيئته لبيئات كهرومغناطيسية مختلفة بتعديل المعالجة اللاحقة.

لماذا يهم هذا للمكائن المستقبلية

من خلال الجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد والتسخين الليزري المستهدف والمعدن النشط مغناطيسيًا، يحول هذا العمل صفائح معدنية عادية المظهر إلى مكوّنات يمكن برمجة شكلها وأدائها بعد التصنيع. يمكن طباعة قطعة Fe–Co–V مرة واحدة ثم ثنيها أو تشديدها أو تحسينها مغناطيسيًا لاحقًا بتسليط الليزر على مسارات مختارة. هذا يتخطى القيد المعتاد للمواد الانضغاطية المغناطيسية، التي تنتج حركات طفيفة عادةً، ويجسر الفجوة بين التغيرات المغناطيسية الميكروية والتشوهات الكبيرة المفيدة. لغير المتخصصين، الخلاصة هي أننا نتعلم "كتابة" وظائف داخل المعدن الصلب بالضوء — مبدعين أغلفة طائرات، وهوائيات، ومجسات، ومحولات طاقة قادرة على التكيف أثناء الخدمة بدلاً من أن تظل محبوسة في شكل واحد ثابت.

الاستشهاد: Li, G., Yang, Z., Zheng, A. et al. Laser-stimulated 4D printing of magnetostrictive Fe-Co-V. Nat Commun 17, 2592 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69378-0

الكلمات المفتاحية: الطباعة الرباعية الأبعاد, سبائك مغناطيسية انضغاطية, انصهار مسحوق المعدن بالليزر, مواد ذكية, حماية كهرومغناطيسية