طبقة فوتوترمية مضادة للتجمد ومكافحة الجليد ذات تنظيم ذاتي للتطبيقات على مدار السنة

لماذا يهم منع الجليد والحرارة

من الطائرات وخطوط الكهرباء إلى الألواح الشمسية على الأسطح، تتأثر العديد من عناصر الحياة الحديثة عندما يتراكم الجليد في الشتاء وعندما ترتفع حرارة الأسطح في الصيف. الحلول التقليدية—مثل التسخين الكهربائي أو المواد الكيميائية أو الكشط اليدوي—تستهلك طاقة، وتكلف مالًا، وقد تضر بالبيئة. تعرض هذه الورقة طلاءً ذكيًا يعمل على مدار السنة يمكن وضعه على الأسطح، أجنحة الطائرات، شفرات توربينات الرياح، والمعدات الكهربائية. يمتص ضوء الشمس تلقائيًا لمحاربة الجليد في الشتاء، ثم يتحول إلى عكس ضوء الشمس والبقاء باردًا في الصيف، مما يساعد على تقليل مخاطر السلامة واستهلاك الطاقة.

طبقة رقيقة بثلاث طبقات ذكية

صمم الباحثون غشاءً مرنًا بسُمك بضعة أجزاء من المليمتر فقط، مكوَّنًا من ثلاث طبقات متعاونة. الطبقة العلوية شفافة وطاردة للماء للغاية، مُنقّشة بنُتوءات صغيرة تشبه عين العث تجعل قطرات الماء تتكور وتتدحرج بعيدًا حاملة معها الأوساخ. هذا يحافظ على السطح جافًا ونظيفًا، مع السماح لمعظم ضوء الشمس بالمرور. الطبقة الوسطى عبارة عن هلام خاص يغير طريقة تعامله مع الضوء اعتمادًا على درجة الحرارة: عندما يكون باردًا يظل شفافًا ويمرر الضوء؛ وعندما يسخن يعيد ترتيب بنيته الداخلية ويصبح عكرًا، مبعثرًا وعاكسًا للضوء. الطبقة السفلية عبارة عن مركب مطاطي داكن محشو بأنابيب كربونية نانوية وشمع سائل يشبه السوائل، وكلاهما يمتص ضوء الشمس بكفاءة عالية ويخزن الحرارة عند ذوبانه وتجمّده.

كيف يقاوم الفيلم الجليد في البرد

في الشتاء، عندما تكون درجات الحرارة منخفضة، تكون طبقة الهلام الوسطى شفافة ويظهر التراكب كله داكنًا بالنسبة للشمس. يخترق ضوء الشمس الطبقتين العلوية والوسطى وصولًا إلى الطبقة السفلية، حيث تحوّل الأنابيب الكربونية النانوية الضوء إلى حرارة. تعمل مواد التغيير الطوري المدمجة كبطاريات حرارية صغيرة، فهي تذوب وتحتفظ بالدفء وتطلقه ببطء حتى عند تعتيم السماء أو غياب الشمس ليلاً. في الوقت نفسه تقلل خاصية طرد الماء الشديدة في السطح العلوي من تماس قطرات الماء مع الجسم البارد تحتها، مما يصعّب بدء تكوّن بلورات الجليد. في اختبارات عند –20 °م، تجمدت قطرات الماء على سطح بلاستيكي عادي في أقل من دقيقتين؛ أما على الفيلم الجديد فقد تأخر التجمد إلى نحو 20 دقيقة—تحسّن يقارب عشرة أضعاف. كما ساعدت الحرارة المخزنة في ذوبان الجليد والصقيع الموجود تحت ضوء الشمس المحاكى، مما أتاح لقطرات الجليد وحتى كتل الجليد على نموذج منزل أن تنفصل وتنزلق بعيدًا.

كيف يبقى باردًا في الحر

في الطقس الحار، يتغير سلوك نفس الفيلم تلقائيًا. مع ارتفاع درجة حرارة طبقة الهلام إلى نطاق منتصف العشرينات مئوية، ينهار الشبك الداخلي للهلام إلى مجالات كثيفة صغيرة وتصبح الطبقة معتمة وبيضاء إلى حد ما. الآن، بدلاً من تمرير معظم ضوء الشمس، تعكس الطبقة وتبعثر جزءًا كبيرًا منه، مما يقلل بشكل حاد كمية الطاقة التي تصل إلى الطبقة السفلية الماصة. تساعد طبقة عين العث العلوية أيضًا عن طريق تقليل الانعكاسات في نطاق الشمس المفيد مع حجب الأشعة فوق البنفسجية الضارة. وفي الوقت نفسه، يشع الفيلم الحرارة بفعالية في منطقة الأشعة تحت الحمراء، ما يسمح له بأن يبرد إلى ما دون درجة حرارة الهواء المحيط ليلاً. أظهرت اختبارات خارجية في ظروف صيفية رطبة وشبه استوائية أنه، حول منتصف النهار، أصبح طلاء ماص شمسياً داكنًا أبرد بأكثر من 17 °م من الفيلم الجديد، بينما ظل الفيلم الذكي في كثير من الأحيان أبرد ببضع درجات من الهواء بعد غروب الشمس.

المتانة وتوفير الطاقة في العالم الحقيقي

لكي يكون أي طلاء سطحي عمليًا، يجب أن يتحمّل الشمس والمطر والغبار والتآكل الميكانيكي. تحمّلت الطبقة العلوية بنقشة عين العث مئات دورات الاحتكاك ونزع اللصق، وتأثيرات الرمال، والمطر الحمضي، والتعرض الشديد للأشعة فوق البنفسجية مع الحفاظ على خواصها الطاردة للماء والبصرية. احتفظت الطبقة الهلامية بسلوكها القابل للعكس في تغيير اللون عبر العديد من دورات التسخين والتبريد دون أن تجف، بفضل الإغلاق الدقيق. ذابت وتجمّدت طبقة التغيير الطوري مرارًا مع قليل جدًا من فقدان السعة، وصُمِّمت لتقليل التسرب. باستخدام محاكاة حاسوبية لمبنى سكني نموذجي متوسط الارتفاع في مناخات تتراوح من مدن شمالية باردة إلى مناطق أكثر اعتدالًا، وجد المؤلفون أن إضافة هذا الفيلم على السطح يمكن أن تقلل استهلاك الطاقة للتبريد السنوي بأكثر من 10% مقارنة بسقف داكن ماص للشمس، مع تجنب عقوبة زيادة التدفئة الشتوية التي يسببها غالبًا الأسقف العاكسة الباردة دائمًا.

ماذا يعني هذا للحياة اليومية

ببساطة، تُظهر هذه الدراسة أن طلاءً واحدًا رقيقًا يمكنه المساعدة في إبقاء الجليد بعيدًا عن المعدات الحرجة في الشتاء وتقليل السخونة المفرطة والطلب على التكييف في الصيف، دون الحاجة إلى مفاتيح أو طاقة أو أجزاء متحركة. من خلال الجمع بين نسيج طارد للماء، وتحكم ضوئي حساس للحرارة، وتخزين حرارة مدمج، يتكيّف الفيلم تلقائيًا مع الموسم والطقس. وبينما تبقى تحديات—مثل إيجاد بدائل أكثر خضرة لبعض المكونات المفلورة وتوسيع نطاق التصنيع—يشير هذا النهج إلى طائرات وأنظمة طاقة أكثر أمانًا، ومبانٍ أكثر كفاءة، ومدن تظل أبرد وأكثر مرونة على مدار السنة.

الاستشهاد: Du, J., Wang, W., Fu, Y. et al. A self-regulated photothermal anti-/deicing film for all-season applications. Nat Commun 17, 2632 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69494-x

الكلمات المفتاحية: أسطح مضادة للتجمد, طلاءات فوتوترمية, هلام حراري متغير اللون, التبريد الإشعاعي, توفير طاقة المباني