ممتص متامادي بترددات تيراهرتز بعرض نطاق واسع ممكن بفضل هندسة هرمية مربعة مملوءة بالماء مع نفاذ بصري

نوافذ تخمد الموجات غير المرئية

يفكر معظم الناس في النوافذ على أنها أشياء تُرى من خلالها، لا كمعدات للتحكم في الإشعاع غير المرئي. ومع ذلك، في نطاق تيراهرتز من الطيف، حيث قد تعمل أنظمة رادار وروابط لاسلكية فائقة السرعة في المستقبل، يمكن أن تتسرب موجات غير مرغوب فيها وتسبب تداخلًا. تستعرض هذه الدراسة طريقة لبناء ألواح شفافة لا تزال تسمح بمرور الضوء المرئي بينما تمتص بهدوء موجات التيراهرتز عبر نطاق ترددي واسع جدًا.

لماذا نهتم بموجات التيراهرتز

تقع موجات التيراهرتز بين الموجات الميكروية والضوء تحت الأحمر وتلفت الانتباه لاستخدامات في أجهزة فحص الأمن والاتصالات قصيرة المدى وأنظمة التصوير. ومع انتشار هذه التقنيات، يحتاج المهندسون إلى مواد تحجب إشارات التيراهرتز المتسربة دون أن تتحول إلى مرايا لامعة أو حواجز داكنة. غالبًا ما تعتمد الماصات التقليدية للتيراهرتز على معادن أو موصلات أخرى تحجب أيضًا الضوء المرئي، مما يجعلها غير مناسبة لتطبيقات مثل قمم قمرة الطائرات، أغلفة الشاشات، أو النوافذ الذكية التي يجب أن تسمح بالرؤية.

غابة هرميّة شفافة مصنوعة من الماء

صمم الفريق نوعًا جديدًا من الماصات يبدو، من حيث المفهوم، كصفيحة مسطحة مغطاة بأهرامات مربعة صغيرة شفافة. كل هرم عبارة عن قشرة مجوفة مصنوعة من بلاستيك شفاف، مملوءة بماء عادي، ومدعومة بطبقة رقيقة من أكسيد القصدير الإنديوم (ITO)، وهو موصل شفاف يستخدم على نطاق واسع في شاشات اللمس. المكونات الثلاثة شفافة في الجزء المرئي من الطيف، لذا يمكن للشخص أن يرى من خلال اللوح، لكنها تتفاعل مع موجات التيراهرتز بقوة.

كيف تحجز الأشكال الصغيرة الطاقة غير المرئية

توجه شكل الهرم المدبب موجات التيراهرتز الواردة من الهواء إلى داخل الماء بلطف، بدلًا من عكسها كما يفعل سطح مستوٍ. أثناء تنقل الموجات صعودًا وهبوطًا على الأوجه المائلة، ترتد العديد من المرات داخل الماء، متداخلة ومتداخلة بطريقة تبقي طاقة أكبر داخل البنية. الماء نفسه ذو خسارة طبيعية في نطاق التيراهرتز، بمعنى أنه يحول طاقة الموجة المحتجزة إلى حرارة. تُظهر المحاكاة أن هذا الجمع بين الشكل المتدرج والداخل المائي يؤدي إلى امتصاص قوي للغاية عبر نطاق ترددي هائل، من 0.5 إلى 10 تيراهرتز، مع امتصاص أعلى من 95 بالمئة في معظم هذا النطاق.

أداء مستقر في العالم الواقعي

لكي يكون أي لوح حاجب مفيدًا، يجب أن يعمل للموجات القادمة من اتجاهات متعددة وبأقطاب مختلفة، وليس فقط تحت ظروف مختبرية مثالية. يجعل الترتيب المربع للأهرامات المستوعب يستجيب بطريقة متقاربة لمعظم حالات الاستقطاب، سواء دارت اتجاه الحقل الكهربائي في المستوي أو دارت الموجة بشكل دائري. كما يحافظ التصميم على امتصاص يزيد عن 90 بالمئة عبر ما لا يقل عن 7 تيراهرتز من عرض النطاق حتى عندما تضرب الموجات بزاويا تصل إلى 70 درجة بعيدًا عن العمودي. تُظهر الاختبارات التي تأخذ بعين الاعتبار تغيّر الحرارة ضمن نطاق خارجي نموذجي تأثيرًا طفيفًا على الأداء، لأن التأثير الرئيسي ينتج عن الهندسة والانعكاسات المتعددة بدلًا من الرنينات الضيقة والحساسة.

ماذا قد يعني هذا للأجهزة المستقبلية

من خلال دمج مواد بسيطة مثل الماء والبلاستيك الشفاف مع أهرامات صغيرة مصممة بعناية، يشير هذا العمل إلى ممتصات تيراهرتز رقيقة، عريضة النطاق، وشفافة للعين البشرية. يمكن أن تبطن مثل هذه الألواح نوافذ المركبات والمباني أو الأجهزة حيث يريد المصممون رؤية واضحة وحماية قوية من إشعاعات التيراهرتز المتسربة. وعلى الرغم من أن الدراسة تعتمد على محاكاة حاسوبية بدلاً من نماذج أولية واسعة النطاق، فإن نتائجها تشير إلى مسار عملي نحو حجب تيراهرتز شفاف أسهل تصنيعًا وأكثر تحملاً لزاوية الرؤية وتغيرات الحرارة من العديد من التصاميم السابقة.

الاستشهاد: Zhao, Y., Hu, P., Zhang, X. et al. A broadband Terahertz metamaterial absorber enabled by a water-assisted square-pyramid architecture with optical transmittance. Sci Rep 16, 15834 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-47406-9

الكلمات المفتاحية: ممتص تيراهرتز, متامادة, هرم مملوء بالماء, نفاذ بصري, حجب كهرومغناطيسي