نهج جديد لتصميم ممتص ميكروويف قابل للضبط وعرض النطاق باستخدام جرافيت موسع على ركيزة مرنة

لماذا يهم إيقاف الإشارات المتناثرة

تشترك الأجهزة اللاسلكية والرادار والإلكترونيات عالية السرعة كلها في طريق غير مرئي من إشارات الراديو والميكروويف. عندما تتناثر هذه الإشارات بلا ضابط، فإنها تولّد تداخلاً كهرومغناطيسياً يمكن أن يشوّه الاتصالات، يكشف أهداف الرادار، ويؤثر حتى على الأجهزة الطبية. لذلك يعتمد المهندسون على طلاءات خاصة تُسمى ممتصات تمتص الموجات الميكروويف غير المرغوب فيها بدلاً من السماح لها بالانعكاس. يقدم هذا البحث ممتصاً رقيقاً وقابلاً للانحناء يمكن «ضبطه» عبر نطاق واسع من ترددات الميكروويف ببساطة عن طريق إضافة أو إزالة كميات ضئيلة من الماء داخل هيكلته.

ورقة رقيقة تمتص الميكروويف

سعى الباحثون لبناء ممتص ليس فعالاً فحسب، بل أيضاً رخيصاً ومرناً وسهل إعادة الضبط. التصاميم التقليدية غالباً ما تستخدم لوحات دوائر صلبة وأنماط معدنية، وتعمل على نطاق ضيق من الترددات، وتتطلب مكونات إلكترونية وأسلاك لتغيير سلوكها. على النقيض من ذلك، يعتمد هذا الجهاز على ورقة بلاستيكية لينة مصنوعة من بولي إيثيلين خطي منخفض الكثافة (LLDPE) ومشكّلة بأنماط قُطعت من جرافيت موسّع، وهو شكل رخيص وغير متآكل من الكربون. تعمل هذه الأنماط كوحدات «فوق مادية» تتفاعل بقوة مع الميكروويف على الرغم من أن كل خلية أصغر بكثير من الطول الموجي.

كيف تؤدي المربعات الصغيرة والقنوات العمل

الوحدة الأساسية هي حلقة مربعة من الجرافيت الموسع مع مربع جرافيت أصغر في المركز، تفصل بينهما فجوة ضيقة. عندما يصطدم الميكروويف بهذا النمط، تتراكم الحقول الكهربائية والمغناطيسية في وحول الفجوة، وفي ترددات معينة تُحتجز معظم الطاقة الواردة وتتحول إلى حرارة بدلاً من أن تُعكس. من خلال اختيار أبعاد الحلقة والجزء الداخلي والفتحات الصغيرة بعناية، صمّم المؤلفون في البداية نسخة تمتص بمفردها أكثر من 90 بالمئة من الطاقة الواردة حول 10 جيجاهرتز، ضمن ما يُعرف بحزمة X المستخدمة في الرادار والروابط الفضائية. ثم حسّنوا التخطيط لتوسيع هذا الامتصاص بحيث يتم كبح شريحة واسعة من الترددات المجاورة أيضاً.

تحويل الماء إلى مقبض ضبط

لجعل الممتص قابلاً للضبط، نقش الفريق قنوات ضيقة في ركيزة البلاستيك مباشرة تحت الفجوة حيث يكون الحقل الكهربائي أقوى. يمكن ترك هذه القنوات مملوءة بالهواء أو حقنها بمياه مقطّرة. وبما أن للماء قدرة أعلى بكثير على الاستقطاب في مجال الميكروويف مقارنة بالهواء، فإن إدخاله يغير البيئة الكهربائية الفعّالة للخلية الواحدة، محولاً تردد الرنين. أظهرت المحاكاة الحاسوبية أنه مع الهواء في القنوات يوفر الهيكل بالفعل نحو 2.1 جيجاهرتز من عرض النطاق المفيد مع امتصاص يزيد على 90 بالمئة. ملء قناة واحدة أو كلتا القناتين بالماء يسحب هذه الفرقة الامتصاصية بسلاسة نحو ترددات أدنى، مع تحولات بحوالي جيجاهرتز عندما تملأ القناتان مع الحفاظ على عرض النطاق الكبير.

اختبار الورقة المرنة عملياً

لم يتوقف المؤلفون عند المحاكاة فحسب. شكّلوا صفائح مرنة من LLDPE، وكونوا القنوات ميكانيكياً، وركّبوا مسحوق الجرافيت الموسع ليضغط في طبقات موصلة رقيقة. باستخدام قناع مطبوع ثلاثي الأبعاد، قطعوا أنماط الحلقة المربعة ولّصقوها على البلاستيك. اختُبرت العينات النهائية في موجّه ميكروويف قياسي متصل بمحلل شبكة متجهية يقيس مقدار الإشارة المعكوسة. أكدت التجارب الامتصاص القوي وعريض النطاق في حزمة X وأظهرت أن إدخال الماء إلى قناة واحدة ثم كلتا القناتين حرك الفرقة الامتصاصية بمقدار يقارب ما تنبأت به الحسابات الرقمية. حافظ الممتص على أدائه عند انحنائه ولطيف من زوايا وسعات الاستقطاب الواردة، وحتى بعد إزالة الماء وإعادة ملء القنوات، مما يبرهن على قابلية إعادة الاستخدام.

ما الذي قد يعنيه هذا للأجهزة الحقيقية

بمصطلحات يومية، أنشأ الفريق نوعاً من «قماش أسود» قابل لضبط الميكروويف رقيق ومرن ومصنوع من مواد رخيصة وغير معدنية. بدلاً من الاعتماد على إلكترونيات معقدة، يمكن تحريك نطاق عمل القماش عبر جزء واسع من حزمة X ذات الصلة بالرادار ببساطة عبر التحكم في كمية الماء المتدفقة خلال قنوات مخفية في المادة. وبما أنه يجمع بين أداء عريض النطاق والمرونة والضبط البسيط القائم على السوائل، فيمكن لف هذا الممتص حول أسطح منحنية للمساعدة في إخفاء الأجسام عن الرادار، تقليل الانعكاسات المتناثرة في أنظمة الاتصالات المدمجة، أو تبطين الأجهزة القابلة للارتداء التي تحتاج إلى حماية الجسم من التعرض غير المرغوب لميكروويف.

الاستشهاد: Borah, D., Boruah, M.J., Das, B.C. et al. A novel approach to design broadband tunable microwave absorber using expanded graphite on a flexible substrate. Sci Rep 16, 8796 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38885-x

الكلمات المفتاحية: ممتص الميكروويف, المواد فوق المادية, الحجب الكهرومغناطيسي, مواد قابلة للضبط, الإلكترونيات المرنة