باحثون يبتكرون نوعاً جديداً من "الهلام الزجاجي" قد يحدث ثورة صناعية

ابتكر باحثون فئة جديدة من المواد المعروفة باسم "الهلام الزجاجي" التي يصعب كسْرها رغم احتوائها على أكثر من 50% من السوائل، ما يوفر مزيجاً فريداً من الخصائص التي قد تُحدث ثورة في العديد من الصناعات.

والهلام الزجاجي، هو مادة تجمع بين خصائص المواد الهلامية والزجاج التقليدي، وتُعرف عادة بنعومتها ومرونتها، بينما يُعرف الزجاج بصلابته وهشاشته.

ومن خلال الجمع بين هاتين الخاصيتين، ابتكر العلماء مادة تحتفظ بالطبيعة الشبيهة بالسائل للمواد الهلامية، ولكن مع جودة الزجاج الصلبة المقاومة للكسر، بحسب ورقة بحثية تُشرت في مجلة "Nature".

ويتضمن هيكل المواد الهلامية الزجاجية شبكة من الجزيئات الصلبة المنتشرة في وسط سائل، تُشكل ترتيباً كثيفاً يُشبه الزجاج، ما يمنح المادة قوتها الاستثنائية.

فيما تساهم نسبة المحتوى السائل الكبيرة في خصائصه الفريدة، ما يسمح له بامتصاص التأثيرات ومقاومة الكسر بطرق لا تستطيع المواد الزجاجية التقليدية القيام بها.

ما خصائص الهلام الزجاجي الجديد؟

قبل سنوات، ابتكر العلماء "البوليميرات الزجاجية"، وهي مواد أكثر صلابة من الزجاج العادي، والتي يُمكن استخدامها في النوافذ التي تتعرض لضغوط أو ظروف قاسية مثل نوافذ الطائرات على سبيل المثال.

لكن المادة الجديدة أكثر صلابة وقوة من البوليمرات الزجاجية العادية، إذ يمكن أن تتمدد حتى 5 أضعاف طولها الأصلي، بدلاً من أن تنكسر.

وبمجرد تمدد المادة، يُمكن إعادتها إلى شكلها الأصلي عن طريق تعريضها للحرارة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن سطح المواد الهلامية الزجاجية شديد الالتصاق، وهو أمر غير معتاد بالنسبة للمواد الصلبة.

ويقول المؤلف الرئيسي المشارك للورقة البحثية ميكسيانج وانج، وهو أيضاً باحث ما بعد الدكتوراة في جامعة نورث كارولاينا الأميركية، إن الشيء الرئيسي الذي يُميّز المواد الهلامية الزجاجية، أن أكثر من نصفها مكوّن من السوائل، ما يجعلها أكثر كفاءة في توصيل الكهرباء من المواد البلاستيكية الشائعة التي لها خصائص فيزيائية مماثلة.

كيف يتم تصنيع الهلام الزجاجي الجديد؟

وتبدأ عملية صنْع هلام زجاجي بتحضير سلائف سائلة من البوليمرات الزجاجية، والتي تُعد في الأساس اللبنات الأساسية للبوليمر في الحالة السائلة، وتكون جاهزة للتحول إلى شكل صلب.

وبعد ذلك يتم خلط هذه السلائف مع سائل أيوني، وهو ملح في الحالة السائلة، يتكون عادة من أيونات سالبة وموجبة الشحنة والتي تظل سائلة عند درجة حرارة الغرفة أو بالقرب منها، والمعروفة بتطايرها المنخفض، وثباتها الحراري الكبير، وقابليتها للذوبان الممتازة لمجموعة واسعة من المواد.

ثم يُسكب الخليط السائل المدمج في قالب، والذي يُشكل المنتج النهائي ويثبت الخليط في مكانه أثناء عملية المعالجة.

ويجرى تعريض هذا القالب للأشعة فوق البنفسجية، ما يؤدي إلى بدء عملية بلمرة ضوئية، إذ يؤدي هذا الضوء إلى تفاعل كيميائي يؤدي إلى تصلّب سلائف السائل في شبكة صلبة، وبالتالي تشكيل مادة هلامية زجاجية.

وبمجرد معالجة المادة وتصلّبها، يتم إزالة القالب بعناية، تاركاً وراءه الجل الزجاجي المشكل حديثاً والذي يحتفظ بشكل القالب ويظهر الخصائص المطلوبة مثل الصلابة والمتانة على الرغم من احتوائه على نسبة مرتفعة من السائل.

ووجد الباحثون أنه يمكن تصنيع المواد الهلامية الزجاجية باستخدام مجموعة متنوعة من البوليمرات والسوائل الأيونية المختلفة، على الرغم من أنه لا يمكن استخدام جميع فئات البوليمرات لإنشاء المواد الهلامية الزجاجية.

وفي الاختبار، وجد الباحثون أن المواد الهلامية الزجاجية لا تتبخر أو تجف، على الرغم من أنها تتكون من 50% إلى 60% من المواد السائلة.

"بشرة خير"

ويعتقد الباحثون أيضاً أن المواد الهلامية الزجاجية تُبشّر بالخير للتطبيقات العملية لأنها سهلة الصنع.

ويقول الباحثون إن عملية تصنيع المواد الهلامية الزجاجية بسيطة ويمكن إجراؤها عن طريق معالجتها في أي نوع من القوالب أو عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد.

وتتطلب معظم المواد البلاستيكية ذات الخواص الميكانيكية المشابهة عمليات معقدة للغاية وخطوات عديدة من ضمنها تصنيع بوليمر كمواد خام، ثم نقل هذا البوليمر إلى منشأة أخرى حيث يتم صهره وتشكيله في المنتج النهائي.

وبفضل مزيجها الفريد من الصلابة والمرونة وسهولة الإنتاج، يقول الباحثون إن المواد الهلامية الزجاجية تحمل أملاً بتحسين جودة عدد لا يُحصى من المنتجات التي تعتمد على الزجاج.