ممتص مايكروويف فائق الخفة بأداء امتصاص محسن قائم على هلام شيتوزان الهوائي

لماذا يهم حجب الموجات الدقيقة المتناثرة

من الهواتف الذكية وموجهات الواي‑فاي إلى رادارات المطارات وروابط الأقمار الصناعية، عالمنا يرن بإشارات مايكروويف غير مرئية. وبينما تُمكّن هذه الموجات الاتصالات الحديثة، قد تُسبب أيضاً تداخلات، وكشف وجود طائرات أو معدات للرادار، وفي حالات متطرفة تشكل مخاطر على الأجهزة الحساسة وصحة الإنسان. لذا يسعى المهندسون إلى طلاءات خاصة تستطيع امتصاص الموجات الدقيقة غير المرغوب فيها بدلاً من عكسها. تُبلغ هذه الدراسة عن مادة جديدة فائقة الخفة تشبه الإسفنجة مصنوعة من مزيج من مكونات طبيعية وغير عضوية ويمكنها امتصاص الموجات الدقيقة بقوة عبر نطاقات الاتصالات والرادار الأساسية.

إسفنجة رقيقة كالريشة للموجات غير المرئية

سعى الباحثون لبناء مادة خفيفة للغاية وفعّالة للغاية في ابتلاع الموجات الدقيقة. انطلقوا من الشيتوزان، وهو بوليمر حيوي يُستخرج من مخلفات القشريات ويمكنه تشكيل إسفنجة صلبة وخفيفة تسمى هلاماً هوائياً. لوحده، الشيتوزان ضعيف نسبياً كممتص، لكن بنيته المسامية مثالية لإجبار الموجات الدقيقة على السفر عبر مسارات متعرجة، ما يزيد من فرص تشتت طاقتها. لتعزيز الأداء، ملأ الفريق هذا الهيكل الطبيعي بمزيج مضبوط بعناية من ثلاثة مكونات: مركب شبه موصل (ديسيلينيد الموليبدينوم، MoSe₂)، مادة كربونية عالية التوصيل على شكل صفائح (أكسيد الجرافين المختزل)، ومعدن طيني طبقي (مونتموريلونيت). النتيجة هلام هوائي هجين «بوليمر/كربون/معدن» بكثافة أقل بملايين المرات من الماء.

كيف يُبنى الهيكل الهجين

لصنع المادة، قام العلماء أولاً بتخليق جسيمات نانوية من MoSe₂، ثم جمعوها مع صفائح الجرافين وطبقات الطين في الماء بحيث تنتشر القشور الصغيرة بدلاً من التكتل. بشكل منفصل، حلّوا الشيتوزان في حمض خفيف لتشكيل جل، ثم أضافوا إليه كميات مختلفة من مزيج MoSe₂/الجرافين/الطين. ساعدت كمية صغيرة من عامل ربط متقاطع على تثبيت كل شيء معاً. أخيراً، جمدوا الخليط وأزالوا الثلج بالتفريغ، تاركين وراءهم هلاماً هوائياً صلباً عالي المسامية. أظهرت الصور بموجب المجهر الإلكتروني شبكة من المسام المترابطة، مع التوزع المتساوي للصفائح غير العضوية عبر هيكل الشيتوزان—وخاصة عندما شكل الحشو نحو نصف المحتوى الصلب.

حبس وتصريف طاقة الموجات الدقيقة

الاختبار الأساسي هو مدى امتصاص هذه الهلامات الهوائية للموجات الدقيقة عبر نطاقي X وKu (تقريباً 8–18 غيغاهرتز)، اللذين يُستخدمان على نطاق واسع في الرادار والاتصالات عالية التردد. قيَس الفريق مقدار الإشارة الواردة التي تعكس عندما تكون المادة مدعومة بسطح معدني—وهو شرط صارم يحاكي طلاءً على معدات حقيقية. أظهر الشيتوزان النقي امتصاصاً متواضعاً فقط. لكن عند إضافة مزيج MoSe₂/الجرافين/الطين، تحسّن الأداء بشكل كبير. أفضل تركيبة، مع نحو 50% حشو بالوزن، خفضت الإشارة المنعكسة حتى 72 ديسيبل بسمكٍ قدره 2.7 مم فقط—مما يعني أن قدرة الموجة انخفضت بأكثر من عشرة ملايين مرة. كما وفّرت امتصاصاً قوياً عبر نطاق عرض 3.8 غيغاهرتز، في حين أن نسخة محمّلة قليلاً أكثر قامت بتبديل شدة الذروة بتغطيةٍ واسعة للغاية لكامل نطاقي X وKu بسمكٍ لا يتجاوز 2.3 مم.

لماذا تعمل هذه الإسفنجة بكفاءة كبيرة

نجاح الهلام الهوائي ناتج عن تداخل عدة تأثيرات مفرِّغة للطاقة تعمل معاً. أولاً، يضطر متاهة المسام الموجات الدقيقة للارتداد داخلها، مما يخلق انعكاسات متعددة تزيد طول المسار وترفع فرص الفقد. ثانياً، التباين بين البوليمر، والجرافين الموصّل، وMoSe₂ شبه الموصل، والطين العازل يخلق عددًا لا يُحصى من الواجهات الصغيرة حيث يمكن للشحنات أن تتحرك ذهابًا وإيابًا عند مرور الموجة، محولة الطاقة الكهرومغناطيسية إلى حرارة. ثالثاً، يوفر الجرافين وMoSe₂ مسارات لحركة الشحنات، معززين الخسائر الكهربائية من دون أن تجعل المادة موصلة إلى درجة تنعكس منها الموجات عند السطح. تساعد البنية الطبقية للطين في الحفاظ على تباعد وتشتت الصفائح الأخرى، مما يزيد المساحة السطحية الفعالة. تؤكد الحسابات والمحاكاة أن هذه الآليات المجمعة تمنح الهلامات الهوائية توافق مقاوم رائعاً («مطابقة الممانعة»)، مما يسمح للموجات الدقيقة بالدخول بسهولة ثم التوهين عميقاً في الداخل.

إخفاء الأجسام المعدنية من الرادار

لاستكشاف كيف قد تعمل هذه المادة في بيئة حقيقية، حاكى الباحثون كرة معدنية—نمذجة مبسطة لهدف راداري—مغطاة بطبقة هلامية هوائية بسمك 2.3 مم. حسبوا المقاطع العرضية الرادارية، وهي مقياس لحجم الجسم الظاهر لنظام الرادار، وقوة المجال الكهربائي المبعثر حولها. مقارنةً بالكرة المعدنية العارية، أظهرت النسخ المطلية انخفاضات في الحجم الظاهر بمقدار 30 إلى 60 ديسيبل عبر نطاقي X وKu، إلى جانب انخفاض يزيد عن 30 ديسيبل في المجال المبعثر في العديد من الاتجاهات. ببساطة، تجعل الطبقة الجسم المعدني يبدو أصغر وأفتح للرادار مع إضافة وزن صغير جداً فقط.

ماذا يعني هذا للأجهزة المستقبلية

بصورة إجمالية، تُظهر الدراسة أن الجمع بين بوليمر حيوي متجدد وملايين المضافات النانوية المختارة بعناية يمكن أن يؤدي إلى طلاء فائق الخفة ورقيق يمتص الموجات الدقيقة بكفاءة عبر نطاقات ترددية مهمة تكنولوجياً. تتفوق الهلامات الهوائية المحسّنة من نوع MoSe₂/جرافين/طين–شيتوزان على الإصدارات السابقة المعتمدة على مكونات مماثلة وتنافس العديد من الممتصات الأثقل والأكثر تعقيداً. وبما أن الشيتوزان مشتق من مخلفات بحرية وفيرة وأن العملية تستخدم ظروفًا معتدلة نسبيًا، فقد توفر هذه المواد مسارًا أكثر صداقة للبيئة لحماية الأجهزة الحساسة، وتقليل التلوث الكهرومغناطيسي، وحتى طلاء المكونات بخصائص تمويه في أنظمة الاتصالات والرادار المستقبلية.

الاستشهاد: Dehghani-Dashtabi, M., Hekmatara, H. & Mohebbi, M. ‌Ultralight microwave absorber with an enhanced absorption performance based on chitosan aerogel. Sci Rep 16, 9475 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40116-2

الكلمات المفتاحية: ممتص مايكروويف, هلام هوائي, شيتوزان, حجب كهرومغناطيسي, تمويه راداري