تخليق بالليزر الفيمتوثاني لسبائك عالية الإنتروبيا متعددة النطاق/مركبات الجرافين لسخانات جول عالية الأداء

مواد جديدة لتدفئة كهربائية أذكى

تعتمد سخانات المنازل ومزيلات الجليد في السيارات وأنظمة منع التجمد على الكهرباء لتوليد الحرارة، لكن كثيراً من هذه الطاقة يُهدر. تُقدم هذه الدراسة نوعاً جديداً من السخانات الرقيقة جداً والمرنة المصنوعة من مزيج جزيئات معدنية نانوية والجرافين، الذي يحوّل الكهرباء إلى حرارة بكفاءة أعلى بكثير من العديد من الأجهزة الحالية، مما يمكن أن يقلل استهلاك الطاقة للتدفئة الشتوية بنحو النصف في بعض السيناريوهات.

بناء الحرارة من خلطات معدنية وجرافين

يكمن جوهر هذا العمل في دمج مادتين متقدمتين: جزيئات سبائك عالية الإنتروبيا والجرافين المستحث بالليزر. تُصنع سبائك عالية الإنتروبيا بخلط عدة معادن معاً بشكل متجانس بحيث تشكل صلبة واحدة ومستقرة بدلاً من مراحل منفصلة. هنا، يجمع الباحثون بين ستة معادن — الحديد والكوبالت والنيكل والكروم والمنغنيز والروثينيوم — إلى جسيمات صغيرة جداً لا يزيد قطرها عن بضعة نانومترات. تُخلق هذه الجسيمات مباشرة على طبقة جرافين تُكتب على غشاء بلاستيكي مرن باستخدام ليزر مكثف ومُركّز بشدة. تُعد قاعدة الجرافين هذه داكنة ومسامية وممتازة في امتصاص ضوء الليزر، مما يجعلها منصة مثالية لبناء المركب السخان.

ومضات ليزر تشكل الجسيمات النانوية في لحظة

لصنع مادة السخان، يغطي الفريق أولاً الجرافين بطبقة رقيقة من محلول أملاح معدنية. ثم يطلقون نبضات ليزر فيمتوثانية — دفعات ضوئية تدوم فقط أجزاء من الكوادريليون من الثانية — على السطح. تسخّن هذه النبضات السطح إلى أكثر من 3000 كلفن وتبرده مرة أخرى في غضون مليارات من الثانية. تحت مثل هذه الظروف القاسية ولكن العابرية، تتحلل الأملاح المعدنية وتندمج ذرات المعادن بسرعة وتتجمد لتُكوّن جزيئات سبائك عالية الإنتروبيا متجانسة، بينما يظل البلاستيك تحته سليماً. تُظهر المحاكاة الحاسوبية والمجهر الإلكتروني أن الجسيمات الناتجة تتراوح معظمها بين 5 و30 نانومتراً في الحجم، مبعثرة بشكل متساوٍ ومثبتة في سطح الجرافين، وبعضها ملفوف بطبقة رقيقة واقية من الجرافين.

كيف يوصل الفيلم الجديد الحراراة ويشعها

تحسّن مزيج الجرافين وجزيئات السبائك بشكل كبير قدرة الفيلم على حمل التيار الكهربائي وإشعاع الدفء تحت الحمراء. تكشف القياسات أن مقاومة الشِيت — مقياس لسهولة مرور التيار — تنخفض مقارنةً بالجرافين المستحث بالليزر وحده. تشير الحسابات إلى سببين رئيسيين: توفر الجسيمات المعدنية مسارات إضافية للإلكترونات، وتساعد أيضاً في إزالة العيوب الحاوية على الأكسجين من الجرافين، مما يجعله أكثر توصيلاً. في الوقت نفسه، تمنح البنى السطحية الخشنة ومتعددة النطاقات وكَمّية صغيرة من أكاسيد المعادن الفيلم انبعاثية تحت حمراء عالية جداً تبلغ نحو 0.98 عبر نطاق واسع من الأطوال الموجية. ببساطة، عندما يسخن الفيلم فإنه شديد الفعالية في التوهّج في نطاق الأشعة تحت الحمراء، وهو شكل الإشعاع الذي نشعر به كحرارة إشعاعية.

تدفئة رفيعة، سريعة، وفعّالة في الاستخدام الحقيقي

عند تطبيق جهد صغير، يسخن الفيلم المركب بسرعة إلى أكثر من 200 درجة مئوية مع الحفاظ على تجانس السطح وأداء مستقر عبر طيات متكررة ودورات تشغيل/إيقاف. بالمقارنة مع سخانات تجارية ذات نفس المساحة ومصدر الطاقة، يصل المَادَّة الجديدة إلى درجات حرارة أعلى بسرعة أكبر من سخان كهربائي تجاري. في الاختبارات، ذابت الجليد خلال دقائق، وسخّنت جسماً بارداً على مسافة بشكل أكثر فعالية من سخان قياسي، وحافظت على درجة حرارة مريحة داخل نموذج منزل في ظروف خارجية دون تجمّد بينما استخدمت نحو نصف الطاقة الكهربائية. كما رسم الباحثون خرائط للتوفيرات المحتملة في طاقة التدفئة الشتوية التي يمكن تحقيقها في مدن مختلفة، فوجدوا وفورات كبيرة محتملة، خصوصاً في المناطق الأكثر برودة.

ما معنى هذا للتدفئة اليومية

بالنسبة لغير المختصين، الرسالة الأساسية هي أن المؤلفين اخترعوا سخاناً كهربائياً مرناً ورقياً يحول الطاقة الكهربائية إلى دفء إشعاعي مريح بكفاءة استثنائية. باستخدام ومضات ليزر فائق السرعة لبناء طبقة معدنية-جرافينية مخلوطة بدقة، يحصلون على مادة ذات توصيلية عالية ومشع حراري ممتاز. إذا نُفِّذت في منتجات حقيقية — مثل أنظمة إزالة الجليد، وأجهزة التدفئة القابلة للارتداء، أو سخانات الغرف — يمكن لهذا الأسلوب أن يساعد في إبقاء الناس دافئين مع استهلاك كهرباء أقل بكثير، داعماً تدفئة أكثر استدامة واستهدافاً في عالم يزداد دفئه لكنه لا يزال يمر بفصول شتاء باردة.

الاستشهاد: Wang, L., Yin, K., Xiao, J. et al. Femtosecond laser synthesis of multiscale high-entropy alloys/graphene composites for high-performance Joule heating. Nat Commun 17, 2121 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70162-3

الكلمات المفتاحية: تسخين جول, سبائك عالية الإنتروبيا, سخانات الجرافين, انبعاثية تحت الحمراء, تدفئة موفرة للطاقة