بحث جديد يعد بآفاق جديدة في مجال الأقمشة الموصلة الأكثر أماناً

ورقة علمية: الإجراء القياسي المحدد لتحديد مستوى الانخفاض الحراري للأقمشة الموصلة المعرضة لنبضات التيار العالي

المؤلفون: جون جايرو بانتوجا أكوستا، خورخي أليخاندرو، كريستانشو كافياتيفا، خورخي إنريكي، رودريغيز مانريكي، كارلوس أندريس ريفيرا غيريرو، خوسيه فرانسيسكو رومان كامبوس، خوسيه فيليكس فيغا ستافرو، شوقي قاسمي، وفهد سيف ناصر، هرهارة اليافعي

تزداد شهرة الأقمشة الموصلة نظراً لاستخدامها في القفازات المناسبة للشاشات أو في أجهزة الحوسبة الجديدة القابلة للارتداء. وتشهد هذه الأقمشة ازدياداً في استخدامها في التطبيقات الصناعية في عصرنا الحالي، وذلك لتوفير أطر الحماية خفيفة الوزن من خلال المجالات الكهرومغناطيسية للأجهزة الكهربائية أو لحماية العمال من الصواعق في هذا المجال. ومع ذلك، قام المصممون لوقت طويل في الماضي بتحليل كيفية استجابة هذه الأقمشة للتيارات المنخفضة،

أما الآن، قام فريق من الباحثين لدى معهد الابتكار التكنولوجي في دولة الإمارات العربية المتحدة بتطوير نموذج جديد لتحليل كيف تستجيب هذه الأقمشة للتيارات العالية مثل الصواعق أو الأخطاء الكهربائية في المعدات. ويمكن لهذه النتائج مستقبلاً أن تطوير أقمشة ذات مستوى أمان أعلى.

وفي هذا الإطار، قال جون بانتوجا، الباحث الرئيسي في مجال الطاقة العالية لدى مركز بحوث الطاقة الموجهة التابع لمعهد الابتكار التكنولوجي: ""بدأنا هذا البحث لأن الأقمشة الموصلة تعد تكنولوجيا جديدة متوفرة في الأسواق واستخداماتها جديدة نسبياً أيضاً. وباستخدام نموذجنا هذا، يمكننا مشاهدة إلى أي مدى يمكن إدارة التيارات.""

قام الباحثون سابقاً بتحليل كيفية انفجار الأسلاك بموجود تيارات عالية في فترة الستينيات، وكانت هذه أول مرة يقوم فيها الباحثون بتوسعة هذه النماذج إلى الأقمشة الموصلة. ومن الجدير بالذكر أن الجهات الصانعة لهذه المواد عادةً توفر المعلومات حول كيفية استجابة المواد تحت حالات العمل الطبيعية، ولم يقم أحد فعلياً بدراسة ما الذي يحدث لها تحت الأوضاع الشديدة مثل الصواعق أو الأخطاء الإلكترونية.

ويعد هذا البحث صعباً لأنه يتطلب مختبرات متخصصة قادرة على توليد التيارات وتحليل النتائج، علماً أن معظم الأجهزة الإلكترونية تعمل ببضعة مللي أمبير، بينما يمكن للأجهزة المنزلية نقل كمية قليلة من الأمبير، بينما يمكن للإضاءة أن تقود ما يقرب من 100000 أمبير لآلاف الثواني. وقد تعاون فريق دولة الإمارات العربية المتحدة مع مجموعة من العلماء القادمين من كولومبيا والبرازيل والسويد للعمل على هذا البحث.

نظرة شاملة

عادة ما يتم نسج الأقمشة العادية من مواد غير موصلة مثل القطن أو البوليستر، بينما تشمل الأقمشة الموصلة إلى جانب ذلك بعض الطبقات الموصلة المكونة من النحاس أو السبائك الأخرى التي تسمح بتدفق التيارات الكهربائية الصغيرة.

وقد بدأ البحث التجريبي باستخدام التيارات العالية في جامعة كولومبيا الوطنية بعد أن سجل بانتوجا والأستاذان فرانسيسكو رومان وفيليكس فيغا على براءتي اختراع حول التطبيقات الوقائية للأقمشة الموصلة. وجمع الباحثون مجموعة من الطرق المختلفة لاستكشاف الأقمشة وتطوير نموذج لسلوكها، إذ بدؤوا بتحليل الصور المجهرية للأقمشة لفهم كيفية لمس الألياف الموصلة لبعضها البعض، ثم تتبدد كمية أكبر من الطاقة عند تقاطع هذه الألياف عند التيارات العالية، ونتيجةً لذلك ترتفع درجة الحرارة عند هذه التقاطعات بشكل أسرع وتبدأ في الذوبان، وعند مرحلة معينة من الممكن تدمير الألياف بالكامل.

فضلاً عما سبق، قام الباحثون بتحليل أشكال الموجات الكهربائية، والتقطوا صوراً بالعينة الأولية وأدخلوا النبض ثم حللوا الصورة اللاحقة، وكان ذلك مرتبطاً بأشكال الموجات الكهربائية المقاسة باستخدام راسم الذبذبات. وقال بانتوجا: ""يمكننا تحليل شكل الموجة لتحديد متى بدأت المادة في الذوبان، ثم سنستخدم صورة لتحديد النقطة التي بدأ فيها الذوبان.""

ومن الجدير بالذكر أن الذوبان والانفجار والتبخير تعد طرقاً مختلفة يمكن أن تتحلل بها الأنسجة تحت التيارات العالية. وينتقل التيار العادي فقط عبر الطبقة الموصلة، ولكن في مرحلة ما، يبدأ التيار الأكثر كثافة في إنتاج البلازما، ثم يمر التيار عبر هذه البلازما. وقد قام البروفيسور رومان وفريقه في كولومبيا بتمييز ذلك باستخدام مقاطع فيديو بكاميرات سريعة لدراسة تكوين البلازما وربطها بصور أخرى،

كما حلل الباحثون كيف يمكن أن تؤدي التيارات إلى إحداث خدوش ناتجة عن الحروق الحرارية في المادة. وجد أليخاندرو كريستانشو، في أطروحته للدكتوراه في جامعة كولومبيا الوطنية، أن هذه الخدوش هي في الأساس تمثل التأثير المجهري لنقاط الانفجار في الطبقات الموصلة. ويمكن تحت التيارات العالية أن تنقسم المادة إلى قسمين، ونتيجة لذلك يمكن أن تقل موصلية المادة أو أن تتم إعاقتها.

ومن القيود الموجودة في هذا النموذج هو أن الباحثون قاموا فقط بتحليل نوع واحد من الأقمشة المنسوجة الشائعة ونوع واحد من الأقمشة غير المنسوجة، على الرغم من وجود عدة أنواع أخرى من القماش. ومن الجدير بالذكر أنه عادةً ما تُصنع الأقمشة الموصلة إما عن طريق نسج ألياف متعددة معاً أو باستخدام التقنيات غير المنسوجة لمزج المواد الموصلة في طبقة واحدة.

وكانت إحدى نتائج البحث هي أن الأقمشة غير المنسوجة يمكنها إيجاد تيارات أعلى دون حدوث أي ضرر لأنها تنشر التيار الكهربائي بالتساوي. ومن الجانب الآخر، تحتوي الأقمشة المنسوجة على نقاط تقاطع بين الألياف يمكن أن تشهد ارتفاعاً كبيراً في درجة الحرارة عند تعرضها للتيارات العالية.

ومع ذلك ذكر بانتوجا أن المواد الموصلة يتم توزيعها بشكل عشوائي في الأقمشة غير المنسوجة، لذلك هناك حاجة إلى نموذج إحصائي للتحليل. ونخلص إلى أن الأقمشة المنسوجة أكثر قابلية للتنبؤ لأن المواد الموصلة تتبع نمطاً ثابتاً مقارنة بغيرها.

بناء نموذج جديد

يسمح نموذج مثل هذا للمصممين بتحديد التفاصيل الأساسية لمشكلة معينة. كانت إحدى الأنشطة المفيدة هي صياغة نموذج شبكة مقاومة مكافئ يتم فيه تمثيل كل عينة ألياف بمقاوم واحد ويتم تمثيل نقطة الاتصال بين الألياف بمقاوم آخر،

بينما يمكن للنموذج النظري تحليل هذه الأنواع من المشاكل بسرعة أكبر من تقنيات المحاكاة التقليدية. ومن الفوائد الأخرى التي يحظى النموذج هي أنه يجعل من السهل رؤية العلاقة بين أبعاد المادة والتيار، الأمر الذي يسهل استكشاف خصائص التصميمات المختلفة بسرعة أكبر من أجل العثور على أفضلها من حيث الأداء. ويمكن دمج هذه النماذج مع نماذج تصميم المنتج للعثور على التصميمات الأكثر فعالية من حيث التكلفة ومستوى الأمن.

أدى البحث السابق حول كيفية تحلل الأسلاك استجابة للتيار العالي إلى إجراء محدد يمثل مقياس لتحديد تأثير التيار العالي على كيفية انفجار الأسلاك، ووجد هذا البحث أيضاً طريقةً لتطبيق هذا المقياس على الأقمشة الموصلة. وقد نظر الباحثون في كيفية اشتمال منطقة التلامس بين الألياف بصفتها جزء من النموذج لزيادة الدقة.

يريد الباحثون مستقبلاً استكشاف مواد وتصميمات نسيج موصلة مختلفة، وتكمن إحدى الاحتمالات في زيادة أبعاد الألياف لزيادة منطقة التلامس وتوزيع الطاقة بشكل متساو. وفي هذا الإطار، قال بانتوجا: ""يمكن للأقمشة الموصلة الجديدة المصنوعة من مواد مركبة أن تقلل الوزن أو تحسن مستوى التحصين أو تزيد من التيار الذي يمكن إدارته."" لقراءة الورقة العلمية الكاملة، يرجى زيارة: