مطاط مرن موصل للحرارة مثل المعادن يتحقق عبر هندسة الروابط الهيدروجينية

لماذا تحتاج الأجهزة الأبرد إلى مواد أكثر ليونة

مع اقترابنا من ساعات ذكية وأساور لياقة وروبوتات ناعمة، تظهر مشكلة مستمرة: الحرارة. الإلكترونيات المحشورة في أماكن ضيقة تسخن بسرعة، بينما المواد المريحة على الجلد عادة ما تحجز الحرارة مثل بطانية. تقدم هذه الدراسة مادة مطاطية جديدة تنقل الحرارة تقريبًا بنفس فعالية بعض المعادن مع المحافظة على قابلية التمدد كالرباط المطاطي، مما يشير إلى إلكترونيات قابلة للارتداء أكثر أمانًا وموثوقية.

موازنة المرونة وتدفق الحرارة

معظم المواد البلاستيكية والمطاطية المرنة رائعة في الانحناء لكنها سيئة جدًا في نقل الحرارة؛ فالموصلية الحرارية لها عادة أقل بكثير من المعادن. المعادن، بالمقابل، تنقل الحرارة بكفاءة عالية لكنها ثقيلة وصلبة وغير مريحة على الجسم. لسنوات، حاول المهندسون خلط جسيمات صلبة ناقلة للحرارة داخل بوليمرات طرية للحصول على الأفضل من الجانبين، لكن حشر عدد كافٍ من الجسيمات لنقل الحرارة يجعل المادة عادة صلبة وهشة. يركز مؤلفو هذه الورقة على كسر هذا التنازل حتى تكون المادة طرية وفي الوقت نفسه ممرًا فعالًا للحرارة.

معدن سائل مخفي داخل المطاط

يبني الباحثون مادّتهم الجديدة حول بلاستيك مرن شائع يسمى بولي يوريثان وقطرات صغيرة من سبيكة معدنية سائلة مكوّنة من الغاليوم والإنديوم. وبما أن هذا المعدن سائل في درجة حرارة الغرفة، تستطيع قطراته التمدد وإعادة التشكّل داخل المطاط بدلًا من التشقق مثل الجسيمات الصلبة. التحدي أن هذه القطرات تتصرف بطبيعتها كجزر منعزلة لا تتصل بما يكفي لتشكيل طرق مستمرة للحرارة. ولحل ذلك، عدّل الفريق سطح القطرات بحيث يمكنها التفاعل بقوة مع البوليمر المحيط، مما يشجعها على الاقتراب من بعضها وتشكيل مسارات شبه مستمرة عند شد المادة.

توجيه الحرارة بخطاطيف جزيئية غير مرئية

في جوهر التصميم يكمن التحكم الدقيق بالروابط الهيدروجينية، وهي نوع من التجاذب النسبي الضعيف بين الجزيئات يعمل كخطاف قابل للعكس. يقوم العلماء بضبط كيمياء البولي يوريثان بحيث يحتوي على عدد محكم من المواقع القادرة على تكوين هذه الروابط. كما يزرعون جزيئات صغيرة تحمل مجموعات قائمة على النيتروجين على طبقة أكسيد سطح قطرات المعدن السائل. عند الخلط، تشكل سلاسل المطاط وسطوح القطرات شبكات كثيفة من الروابط الهيدروجينية داخل المطاط وعلى حدّ الفاصل بين المطاط والمعدن. باستخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء والانكسار بالأشعة السينية، تُظهر المجموعة أن هذه الروابط تصطف وتنظم سلاسل البوليمر، مما يخلق مسارات أكثر انتظامًا لتدفق الحرارة وفي الوقت نفسه يقوّي التماسك بين القطرات والمصفوفة.

الشد يحول القطرات إلى طرق حرارية

عند سحب المادة، المسماة LiMPuC، يحدث شيء ملحوظ على المستوى المجهري. تطول قطرات المعدن السائل وتصطف على اتجاه الشد، وتساعد الروابط الهيدروجينية في إبقائها على اتصال وثيق مع السلاسل المحيطة. هذا الترتيب يحول القطرات المتناثرة إلى سلاسل تشبه الخرز تقترب من التلامس، مكوِّنة قنوات فعالة لتدفق الحرارة على طول اتجاه الشد. تُظهر القياسات باستخدام جهاز اختبار مخصص أنه عند محتوى معدني معتدل بنسبة 46 بالمئة بالحجم، ترتفع الموصلية الحرارية إلى نحو 23.4 واط/م·ك عند استطالة 400 بالمئة، وهو رقم يقارب بعض المعادن ومع ذلك يتحقق في شريط ناعم شبيه بالمطاط. والأهم أن المادة لا تزال قابلة للتمدد أكثر من سبع مرات طولها الأصلي ولها صلابة عالية، ما يعني أنها تمتص طاقة كبيرة قبل الكسر.

ما يعنيه ذلك للأجهزة المستقبلية

بالنسبة للمستخدمين اليوميين، الخلاصة هي أنه قد يصبح ممكنًا قريبًا ارتداء إلكترونيات تبقى باردة ومريحة حتى أثناء الثني والالتواء والتمدد مع حركة الجسم. باستخدام الروابط الهيدروجينية كخطاطيف جزيئية قابلة للتعديل، يصنع الباحثون مطاطًا يعيد تنظيم شبكة المعدن السائل الداخلية تلقائيًا تحت الشد، معززًا إزالة الحرارة عندما وأينما تكون الحاجة أعظم. تقدم هذه الاستراتيجية وصفة عامة لبناء مواد حرارية مرنة وعالية الأداء، مع أدوار محتملة كموّلدات حرارة شبيهة بالجلد أو حساسات ناعمة في أجهزة قابلة للارتداء ودارات مرنة من الجيل القادم.

الاستشهاد: Liu, X., Wen, J., Xu, R. et al. Flexible rubber with metal-like thermal conductivity achieved via hydrogen bonding engineering. Nat Commun 17, 4480 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71056-0

الكلمات المفتاحية: مطاط بالمعدن السائل, الموصلية الحرارية, الإلكترونيات القابلة للارتداء, المواد المرنة, إدارة الحرارة