تشكيلات نمطية لأقطاب مغناطيسية في المغناطيسات الملتصقة

تشكيل الحقول المغناطيسية داخل البلاستيك اليومي

عادةً ما يُنظر إلى المغناطيسات على أنها كتل صلبة تلتصق بالمعدن فحسب. لكن العديد من الأجهزة الناشئة — من المحركات المدمجة إلى مِلاقط الروبوتات الناعمة — بحاجة إلى مغناطيسات تتغير قوتها واتجاهها من مكان لآخر داخل قطعة واحدة. تُظهر هذه الورقة كيفية «طباعة» مثل هذه المغناطيسات ذات الأنماط مباشرةً داخل البلاستيك باستخدام عملية طباعة ثلاثية الأبعاد قائمة على الليزر، مما يفتح الباب أمام حقول مغناطيسية مخصصة مُدمجة في المكونات اليومية.

لماذا تهم المغناطيسات المطبوعة

تُصنع المغناطيسات التقليدية بكميات كبيرة ثم تُقص وتُركب في ترتيبات معقدة. هذا يصلح للمحركات البسيطة، لكنه يصبح محرجاً ومكلفاً وأحياناً مستحيلاً عندما تصغر الأجهزة أو تصبح الأشكال أكثر تعقيداً. تعد التصنيع الإضافي، أو الطباعة ثلاثية الأبعاد، بنهج مختلف: اخلط جزيئات مغناطيسية في بلاستيك، واطبع أي شكل تقريباً، ودع البلاستيك يثبت كل شيء معًا. أظهرت أعمال سابقة أن المغناطيسات يمكن طباعتها بعدة تقنيات، لكن الخواص المغناطيسية كانت عادةً متجانسة عبر القطعة. الهدف هنا أكثر طموحاً — إنشاء مغناطيسات يمكن أن تُجعل مناطقها الداخلية أقوى أو أضعف، وتوجه أقطابها في اتجاهات مختلفة، كل ذلك في طباعة مستمرة واحدة.

بناء طابعة ثلاثية الأبعاد أكثر ذكاءً

عدّل الباحثون نظامًا للطباعة الانتقائية بالليزر، وهو شكل من أشكال الطباعة ثلاثية الأبعاد يستخدم الليزر لدمج المسحوق طبقة بطبقة. بدأوا بمسحوق نايلون كأساس بلاستيكي وأضافوا مساحيق مغناطيسية مختارة بعناية: مغناطيس «قوي» (NdFeB) يحافظ على مغنطته، ومغناطيسان «ليّنان» (FeSi وFeCo) يستجيبان بشدة لحقل لكنه يفقدان معظم مغناطيسيتهما عند إزالة الحقل. فوق سرير المسحوق، رسم الليزر كل طبقة من القطعة، وتحت السرير طبّقوا مغناطيسات كهربائية مخصصة حقولًا مغناطيسية مسيطرة أثناء وبعد ذوبان المساحيق. بالإضافة إلى ذلك، حركت مجموعة من القواديس الصغيرة وفوهة شفط على طول شفرة الفرد بحيث يمكن إزالة جيوب صغيرة من مسحوق الأساس وإعادة ملئها بمساحيق مغناطيسية محددة في مواقع دقيقة. كانت النتيجة شريطًا بلاستيكيًا مطبوعًا يحوي "جزرًا مغناطيسية" مدمجة مصنوعة من مواد مختلفة ومعرضة لاتجاهات حقل مختلفة.

رؤية أنماط في المشهد المغناطيسي

لاكتشاف مدى نجاح هذه الاستراتيجية، أنتج الفريق أشرطة بسيطة تحتوي على جزيرتين مغناطيسيتين في كل طرف، أحيانًا باستخدام نفس المغناطيس القوي على الجانبين، وأحيانًا بمزج المغناطيس القوي مع أحد المواد اللينة. ثم قاسوا الحقل المغناطيسي عبر السطح باستخدام مسبار واستخدموا طبقة رقيقة من ferrofluid — سائل يلتصق بالمناطق المغناطيسية — لتصوير أماكن خروج أو عودة خطوط الحقل. حتى في الحالة المطبوعة كما هي، بدون أي معالجة لاحقة قوية، أظهرت الأشرطة أنماط أقطاب غير متجانسة بوضوح. ببساطة عن طريق تغيير اتجاه الحقل الخارجي المستخدم أثناء الطباعة، تمكن الباحثون من جعل أحد طرفي الشريط يفضل منطقة شبيهة بالشمال بينما يفضل الطرف الآخر منطقة شبيهة بالجنوب، أو تقسيم منطقة إلى ترتيبات متعددة الأقطاب أكثر تعقيدًا.

زيادة الشدة المغناطيسية

أنتجت الطباعة وحدها حقولًا ضعيفة فقط، لذا وضع الباحثون الأجزاء لاحقًا في مغنط خارجي قوي، على غرار الطريقة التقليدية لتفعيل المغناطيسات الدائمة. بعد مغنطة عند شدة حقول حوالي 1.5 إلى 1.9 تسلا، زادت قيم التدفق المغناطيسي المحلي في مناطق المغناطيس القوي بعدة أضعاف. بالنسبة للأشرطة المحتوية على NdFeB مع FeSi أو FeCo، بلغت المناطق المواجهة للشمال ما يصل تقريبًا إلى أربعة إلى عشرة أضعاف قوتها كما كانت في الحالة المطبوعة، بينما أظهرت مناطق المغناطيس اللين تقريبًا لا مغناطيسية دائمة. عندما فُحصت العينات تحت حقل خارجي إضافي، أنتج كلا التركيبتين فروقًا قوية ومحددة جيدًا بين مناطق شبيهة بالشمال والجنوب — على مقياس عشرات الملليتسلا — دون فقدان الأنماط المكانية التي تمت طباعتها. حتى عندما عُكس اتجاه الحقل الخارجي، احتفظت الأشرطة "بمحور سهل" مفضل، وهو انحياز اتجاهي حُفر أثناء خطوة تماسك الليزر.

من أشرطة المختبر إلى الآلات المستقبلية

تؤكد التجارب مجتمعة الفكرة المركزية للدراسة: يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تفعل أكثر من مجرد تشكيل شكل المغناطيس الخارجي؛ يمكنها أيضًا نمذجة المشهد المغناطيسي الداخلي. من خلال الجمع بين التحكم الفوري في أي مساحيق توضع أين ومع حقول مغناطيسية خارجية متزامنة بدقة، أظهر الفريق مغناطيسات ملتصقة تكون أقطابها وقُواها متغيرة بطريقة قابلة للبرمجة. وعلى الرغم من أن العينات الحالية أشرطة بسيطة، يمكن توسيع نفس الطريقة إلى أشكال أكثر تعقيدًا وعدة مواد مغناطيسية. للغير متخصصين، الرسالة الأساسية هي أن مغناطيسات المستقبل قد تُطبع مثل لوحات الدوائر المعقدة، مع مناطق توجه أو تركز أو تلغي الحقول بالضبط حيث يلزم، مما يمكّن محركات أنحف، وتعويمًا مغناطيسيًا أكثر كفاءة، وأجهزة ناعمة تنحني أو تقبض عند الطلب.

الاستشهاد: Behera, M.P., Lv, Y. & Singamneni, S. Patterned magnetic pole configurations in bonded magnets. Sci Rep 16, 13102 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43131-5

الكلمات المفتاحية: مغناطيسات مطبوعة ثلاثية الأبعاد, الطباعة الانتقائية بالليزر بالترسيب, تشكيل الحقل المغناطيسي, مركبات مغناطيسية ملتصقة, تصنيع مرتبط بالطاقة