أحدث دراسة صينية: أسمنت يحول الحرارة إلى كهرباء من المواد العضوية

في تطورٍ رائدٍ نُشر في العدد الأخير من مجلة "ساينس بوليتين"، قدّم فريقٌ بقيادة البروفيسور تشو يانج من جامعة ساوث إيست الصينية، أسمنتًا حراريًا كهربائيًا مبتكرًا مستوحىً من المواد العضوية.

نجح البروفيسور تشو يانج وفريقه في ابتكار أسمنت حراري كهربائي مستوحى من المواد الحيوية، لا يتميز بخصائص رائعة فحسب، بل يُجسّد أيضًا تزاوج الطبيعة والتكنولوجيا.  

يُمثل البحث الذي يقوده البروفيسور يانج قفزة نوعية نحو بناء مبانٍ مستدامة بالكامل قادرة على تسخير وتخزين الطاقة من البيئة.

تُؤكد هذه الدراسة على أهمية الجهود التعاونية والاستثمار المالي في السعي لإيجاد حلول مبتكرة للتحديات المعاصرة في مجال علوم الطاقة والمواد.

ولا شك أن العلماء والمهندسين على حد سواء سيتابعون عن كثب تطور هذه التقنية من الدراسات النظرية إلى التطبيقات العملية التي قد تُعيد تعريف فهمنا لخصائص مواد البناء.

تُظهر هذه المادة معامل سيبيك استثنائيًا، يُحقّق من خلال عمليةٍ متطورة تُعرف باسم التثبيت الانتقائي للواجهات، لا تُحسّن هذه الطريقة الخواص الحرارية الكهربائية للأسمنت فحسب، بل تُمثّل أيضًا قفزةً نوعيةً في علم المواد، مُبرزةً إمكانية دمج البوليمرات الوظيفية مع مواد البناء التقليدية.

ينبع تطوير هذا المركب الحراري الكهربائي من الطبيعة نفسها، مُحاكيًا التصميم الهيكلي لجذوع النباتات. 

باستخدام بنية متعددة الطبقات، صمم الباحثون مركبًا لا يتميز بالأداء الحراري الكهربائي فحسب، بل يحافظ أيضًا على سلامة هيكله تحت الضغط. 

بفضل معامل سيبيك المُقاس عند -40.5 ملي فولت/كلفن، يتفوق هذا المركب الجديد بشكل ملحوظ على المواد الحرارية الكهربائية الحالية القائمة على الأسمنت، متجاوزًا الأرقام القياسية السابقة بعشرة أضعاف وستة أضعاف لمعامل سيبيك ومعامل الجدارة (ZT)، على التوالي.

يجمع هذا الهيكل الهجين بين طبقات من الهيدروجيل تعمل كطرق سريعة لأيونات الهيدروكسيد (OH−)، مع تكوين روابط تنسيقية قوية مع أيونات الكالسيوم (Ca₂) عند واجهات الأسمنت والهيدروجيل. 

يسمح هذا التلاعب الاستراتيجي بالتثبيت الانتقائي للأيونات، مما يؤدي إلى تفاوت واضح في معدلات الانتشار بين Ca₂ وOH−.

يُعدّ هذا النقل الانتقائي للأيونات بالغ الأهمية للتطبيقات الكهروحرارية، حيث تُعد كفاءة توليد الطاقة الكهربائية من فروق درجات الحرارة أمرًا بالغ الأهمية.

علاوة على ذلك، يُسهم الهيكل متعدد الطبقات المُصمم هندسيًا ليس فقط في تعزيز القدرة الحرارية الكهربائية، بل يُعزز أيضًا المتانة الميكانيكية وإمكانية تخزين الطاقة للمركب. 

إن القدرة على التقاط الطاقة وتخزينها في آنٍ واحد تفتح آفاقًا جديدة لتشغيل الأجهزة الإلكترونية المُستخدمة في البنية التحتية الذكية، بما في ذلك أجهزة الاستشعار وعُقد الاتصالات اللاسلكية المُدمجة في المباني الذكية أو أنظمة الرصف المُتطورة.

أُنجز هذا العمل بفضل تمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة جيانغسو، مما يُشير إلى التزام قوي بتعزيز البحث والتطوير في علوم المواد المتقدمة. 

يُسلّط البحث الضوء على تأثير المحاكاة الحيوية في الهندسة وعلوم المواد، مُركّزًا على كيف يُمكن أن تُؤدي الرؤى المُستمدة من الطبيعة إلى تطورات ثورية في التكنولوجيا. 

ومع بدء المجتمع العلمي في استكشاف هذا النهج المُبتكر في مجال الأسمنت وتسويقه تجاريًا، فإن إمكانيات التطبيق تكاد تكون لا حصر لها. 

الرحلة من البحث المخبري إلى التطبيق العملي محفوفة بالتحديات، إلا أن المكافآت المُحتملة لدمج هذه المواد المُتقدمة في بنيتنا التحتية هائلة لدرجة لا يُمكن تجاهلها.

يُشير اندماج البيولوجيا والتكنولوجيا، المُجسّد في هذا الأسمنت الحراري الكهربائي، إلى مستقبلٍ لا تُصبح فيه المواد مجرد كياناتٍ خاملة، بل تُساهم بشكلٍ فاعل في مشهد الطاقة.