أداء الحجب الكهرومغناطيسي والخواص الميكانيكية لملاط الجيوبوليمر الخفيف القائم على الفيرميكوليت

إبعاد الأمواج غير المرئية

سحب غير مرئية من الأمواج الكهرومغناطيسية تحيط بنا الآن، تنبعث من خطوط الطاقة والشبكات اللاسلكية والأجهزة اليومية. وبينما تجعل هذه الإشارات الحياة الحديثة ممكنة، فإنها قد تتداخل أيضاً مع الأجهزة الحساسة وقد تثير قلقاً صحياً، لا سيما في المدن المكتظة. تستكشف هذه الدراسة نوعاً جديداً من مواد البناء الخفيفة الخالية من الأسمنت التي يمكن أن تساعد في حجب الإشعاع غير المرغوب فيه مع خفض البصمة الكربونية للبناء.

جدار حماية من نوع جديد

يركز الباحثون على «الجيوبوليمرات»، عائلة من المواد التي يمكن أن تحل محل أسمنت بورتلاند التقليدي. بدلاً من أن تُحرق في أفران تستهلك كثيراً من الطاقة، تُصنع الجيوبوليمرات بتنشيط مخلفات صناعية مثل رماد الفحم بمحاليل قلوية، مكوِّنة شبكة صخرية ومتينة. أضاف الفريق إلى ذلك الفيرميكوليت، وهو معدن طبيعي ينتفخ ليصبح مادة خفيفة ومسامية عند تسخينه. يُستخدم الفيرميكوليت بالفعل في الجص المقاوم للحريق والعزل؛ وفي هذه الدراسة تم اختباره كمكوّن رئيسي في جدران يمكنها تخفيف أوزان المباني وفي الوقت نفسه حمايتها من الأمواج الكهرومغناطيسية المتسللة.

بناء العينات واختبارها

حضَّر الفريق ستة عشر خليطاً مختلفاً باستخدام رماد الفحم ومحلول السيليكات الصوديوم ومحلول هيدروكسيد الصوديوم وكميات متفاوتة من الفيرميكوليت، مستبدلين الرمل العادي بنسبة 0% أو 25% أو 50% أو 100% على أساس الحجم. كما ضبطوا قوة المادة «المنشطة» القلوية، مستخدمين محاليل هيدروكسيد الصوديوم بتركيز يتراوح بين 10 و13 مول/لتر. صَبّوا من كل وصفة قطعاً صغيرة لاختبارات الانثناء والضغط، وصفائح مسطحة أكبر للقياسات الكهرومغناطيسية. وُضعت الصفائح بين زوج من هوائيات القرن الموصولين بمحلل شبكات دقيق، ما أتاح للباحثين تتبع مقدار ما يتم عكسه أو نقله أو امتصاصه من إشارة ميكروويف واردة عبر نطاق واسع من 3 إلى 40 جيجاهرتز — وهو نطاق يغطي الترددات المستخدمة في الرادار وروابط الأقمار الصناعية وأنظمة 5G و6G الناشئة.

كيفية تعامل المادة مع الأمواج والأحمال

أظهرت جميع نسخ الجيوبوليمر القائمة على الفيرميكوليت توافق ممانعة جيداً، أي أنها لم تكتفِ بردّ الأمواج عند السطح. بل سمحت للأمواج بالدخول ثم أضعفتها تدريجياً داخل المادة. عند ترددات الميكروويف الأعلى، أنتجت عدة خلطات حجباً قوياً، خافضة شدة الإشارة بأكثر من 50 ديسيبل — ما يعادل تقليص القدرة بعامل يزيد على 100000. وفي الوقت نفسه، جعل إضافة الفيرميكوليت الكتل أخف وزناً بشكل ملحوظ، مخفِّضة الكثافة حتى 17%. كشفت الاختبارات الميكانيكية عن مفاضلة: كانت الخلطات الأقوى في الضغط خالية من الفيرميكوليت، لكن جرعة معتدلة بواقع 25% من الفيرميكوليت أعطت أفضل مقاومة انثناء، إذ ساعدت حبيباته الشبيهة بالصفيحات على جسور الشقوق دون أن تجعل البنية مسامية للغاية.

إيجاد النقطة المثلى

لموازنة هذه المطالب المتعارضة، استخدم المؤلفون طريقة تصميم إحصائية تعرف بمنهج تاغوتشي. سمحت لهم هذه الطريقة بتحديد تراكيب محتملة من محتوى الفيرميكوليت وقوة القلوية التي حسّنت أداءً ميكانيكياً وقدرة الحجب معاً. أظهر تحليلهم أن نسبة الفيرميكوليت كانت لها التأثير الأكبر على القوة، بينما كان تركيز محلول هيدروكسيد الصوديوم أكثر أهمية للحجب عند الترددات العالية. أعطت الخلطة الأكثر توازناً حوالى 25% فيرميكوليت وقوة منشطة متوسطة إلى عالية (11–13 مول)، مما قدَّم أداءً بنيوياً سليماً مع تخفيف قوي في نطاق الموجات الملليمترية المستخدم للاتصالات المتقدمة.

لماذا الأمر مهم لمدن المستقبل

أكدت التحليلات المجهرية والكيميائية أن هذه الخلطات تُكوّن شبكة معدنية كثيفة ومترابطة مخترقة بمسام محكومة من الفيرميكوليت. تنقل هذه البنية الأحمال الميكانيكية وفي الوقت نفسه تشوش الأمواج الكهرومغناطيسية الواردة، مما يسبب تشتتاً وفقدان طاقتها على شكل حرارة. ببساطة، تُظهر الدراسة أنه من الممكن تصميم ألواح جدارية وعناصر غير حاملة للأحمال أخف من الخرسانة التقليدية، مصنوعة من نفايات صناعية بدلاً من أسمنت الكلنكر، وقادرة في الوقت نفسه على العمل كـ "مظلات كهرومغناطيسية" مدمجة للمساحات الداخلية. ومع مزيد من العمل على المتانة والإنتاج على نطاق واسع، يمكن أن تساعد مثل هذه المواد المدن على إدارة التلوث الكهرومغناطيسي بينما تتجه نحو بناء أكثر خضرة.

الاستشهاد: Çelik, A., Tunç, U., Durmuş, A. et al. Electromagnetic shielding performance and mechanical properties of vermiculite-based lightweight geopolymer mortars. Sci Rep 16, 7865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38722-1

الكلمات المفتاحية: الحجب الكهرومغناطيسي, خرسانة الجيوبوليمر, فيرميكوليت, مواد بناء مستدامة, بنية تحتية للجيل الخامس والسادس