الكاتب: Menna Attia

ثعبان البحر الكهربائي هو مخلوق فتن العلماء وعشاق الطبيعة لعدة قرون. بفضل قدرته على توليد تفريغ كهربائي قوي، يعتبر ثعبان البحر الكهربائي أعجوبة حقيقية من الطبيعة. تسمح هذه القدرة الفريدة لثعبان البحر الكهربائي بالتواصل والافتراس والدفاع عن نفسه بطرق لا تشبه أي مخلوق آخر على وجه الأرض. من صعق فريسته إلى درء الحيوانات المفترسة، يعد استخدام ثعبان البحر الكهربائي للكهرباء مثالًا رائعًا على التكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي.

ما هو سر قوة ثعبان البحر الكهربائي؟

الثعابين الكهربائية هي نوع من الأسماك التي توجد في المياه العذبة في أمريكا الجنوبية، وخاصة في أحواض نهري الأمازون وأورينوكو. على الرغم من اسمها، فإن الثعابين الكهربائية ليست ثعابين حقيقية، بل هي نوع من أسماك السكاكين. وهي معروفة بقدرتها على توليد صدمات كهربائية قوية، تستخدمها في الصيد والتواصل والدفاع عن النفس.

يمكن أن يصل طول الثعابين الكهربائية إلى 8 أقدام ويصل وزنها إلى 44 رطلاً، على الرغم من أن معظم الأفراد أصغر من ذلك. لديهم جسم طويل أسطواني مغطى بطبقة من المخاط اللزج الذي يساعد على توصيل الكهرباء. يكون لونها عادةً رماديًا داكنًا أو بنيًا على الظهر وأصفر أو برتقاليًا على البطن.

الثعابين الكهربائية هي في المقام الأول آكلة اللحوم وتتغذى على مجموعة متنوعة من الفرائس، بما في ذلك الأسماك والبرمائيات واللافقاريات. ومن المعروف أيضًا أنهم مخلوقات انفرادية وعادة ما توجد في المياه البطيئة الحركة أو الراكدة، مثل المستنقعات والجداول والأنهار الصغيرة.

تنتج الأسماك الكهربائية طاقتها الكهربائية من خلال عضو كهربائي متخصص. على سبيل المثال، يحتل العضو الكهربائي نحو ثلثي جسم السمكة، وهو مقسم إلى ثلاثة أجزاء مختلفة، كل منها ينتج تيارًا كهربائيًا بطبيعته المختلفة. على الرغم من صدماتها الكهربائية القوية، لا تعتبر الثعابين الكهربائية تهديدًا كبيرًا للبشر. ومع ذلك، فإنها يمكن أن تسبب إصابة خطيرة أو حتى الموت إذا لامس شخصًا كبيرًا أو تعرض للصدمة بشكل متكرر. على هذا النحو، من المهم توخي الحذر عند السباحة أو الخوض في المياه التي من المعروف أن الثعابين الكهربائية تعيش فيها [1-3] .

كيف يولد ثعبان البحر الكهربائي الكهرباء؟

الكيمياء الكهربائية هي دراسة العمليات الكيميائية التي تنطوي على نقل الإلكترونات. ويلعب دورًا حاسمًا في العديد من الظواهر الطبيعية، بما في ذلك قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء. ترجع هذه القدرة إلى الكيمياء الكهربائية التي تحدث داخل جسمه. حيث يحتوي على خلايا متخصصة تسمى الخلايا الكهربائية المسؤولة عن توليد الشحنة الكهربائية. تمتلئ هذه الخلايا بالأيونات، وهي ذرات أو جزيئات لها شحنة كهربائية. حركة هذه الأيونات عبر غشاء الخلية تخلق فرق الجهد، مما يولد الشحنة الكهربائية. من خلال فهم الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكننا الحصول على تقدير أكبر للتكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي [1-3].

ما هي ميكانيكية الجسم لتوليد الكهرباء؟

يتضمن توليد الكهرباء في ثعبان البحر الكهربائي سلسلة من الخطوات المعقدة الضرورية لإنتاج صدمة كهربائية قوية. وتشمل هذه الخطوات حركة الأيونات عبر أغشية الخلايا وتنشيط القنوات الأيونية.

يتكون العضو الكهربائي من الخلايا الكهربائية، وهي المسؤولة عن توليد الشحنة الكهربائية. تمتلئ هذه الخلايا بأنواع مختلفة من الأيونات، بما في ذلك أيونات الصوديوم والبوتاسيوم والكلوريد.

تبدأ عملية توليد الكهرباء بحركة أيونات الصوديوم من خارج الخلية إلى داخلها. يتم تسهيل هذه الحركة بواسطة بروتين يسمى مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. عندما تتحرك أيونات الصوديوم داخل الخلية، فإنها تخلق شحنة موجبة داخل الخلية. بعد ذلك، تتحرك أيونات البوتاسيوم خارج الخلية، مما يساعد على الحفاظ على الشحنة الموجبة داخل الخلية. تخلق حركة الأيونات هذه فرقًا في الجهد بين داخل الخلية وخارجها.

عندما يريد ثعبان البحر الكهربائي توليد شحنة، فإنه يرسل إشارة إلى الخلايا الكهربائية لتحرير أيوناتها المخزنة. وهذا يسبب حركة سريعة للأيونات عبر غشاء الخلية، مما يولد شحنة كهربائية كبيرة. يتم تسهيل حركة الأيونات عبر غشاء الخلية عن طريق القنوات الأيونية، وهي بروتينات تسمح للأيونات بالمرور عبر غشاء الخلية. يتم تنشيط هذه القنوات الأيونية عن طريق إطلاق الأيونات المخزنة، مما يتسبب في تدفق سريع للأيونات إلى الخلية.

إن حركة الأيونات عبر غشاء الخلية هي ما يخلق فرق الشحنة الكهربائية الذي يسمح لثعبان البحر الكهربائي بتوليد الكهرباء. من خلال التحكم في حركة أنواع مختلفة من الأيونات، يستطيع ثعبان البحر الكهربائي إنتاج صدمة كهربائية قوية يستخدمها في الصيد والتواصل والدفاع عن النفس [1] .

لماذا لا ينتهي الأمر بالأسماك إلى صدمة نفسها؟

العضو الكهربائي للأسماك الكهربائية القوية مبطن بالأنسجة الدهنية والضامة. عندما تطلق السمكة صدمتها، تقوم هذه الأنسجة بعزل السمكة عن تكتيكها الهجومي. وكذلك يلعب الحجم أيضا دورًا في ذلك. حيث أن معظم الأسماك المفترسة ذات القوة الكهربائية أكبر بكثير في الحجم من فرائسها. يمكن أن يصل حجم بعض الثعابين الكهربائية إلى 8 أقدام. سوف يقوم تيارهم بفتك فرائسهم الأصغر حجمًا، لكنه لن يفعل الكثير لأجسامهم الأكبر حجمًا، مثلما لن يؤثر بشكل خطير على الإنسان البالغ.

ومع ذلك، فإن الأسماك الكهربائية ليست مقاومة تمامًا للصدمات. وقد لاحظ الكثيرون أن الأسماك الكهربائية ترتعش، خاصة عند إخراجها من الماء. قد يكون هذا هو الحال لأن الهواء لا يسمح للشحنة بالتبدد خارج السمكة بنفس سرعة الماء (خاصة مياه البحر المالحة).

لم يكن علماء الماضي هم الوحيدين الذين ألهمتهم الطريقة التي تمكنت بها الطبيعة من تسخير الكهرباء. قام فريق من الباحثين من جامعة فريبورغ وجامعة ميشيغان بإنشاء بطارية ناعمة مصنوعة من مادة تشبه الهلام باستخدام الخلايا الكهربائية كمصدر إلهام. ويأمل الفريق أن يتم استخدام عملهم في بعض الإجراءات الطبية.

لا يزال لدى الأسماك الكهربائية الكثير لتعلمه للعلماء حول كيفية عمل تحديد الموقع الكهربائي وكيف تطورت هذه الأسماك اللامعة في المقام الأول. قد يكون هناك المزيد من الاكتشافات البحثية الصادمة في المستقبل [1] .

ما هي التطبيقات المحتملة للكيمياء الكهربائية لثعبان البحر الكهربائي؟

الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء يمكن تطبيقها في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك الطب وإنتاج الطاقة.

• في الطب: يمكن استخدام الكيمياء الكهربائية لثعبان البحر الكهربائي لتطوير علاجات جديدة لمجموعة متنوعة من الحالات. على سبيل المثال، يمكن استخدام مثل هذه القدرة على توليد الكهرباء لتشغيل الأجهزة الطبية المزروعة في الجسم، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب. بالإضافة إلى ذلك، تطوير أدوية جديدة تستهدف القنوات الأيونية، والتي تشارك في مجموعة متنوعة من العمليات الفسيولوجية.
• في إنتاج الطاقة: لتطوير أنواع جديدة من البطاريات وأنظمة تخزين الطاقة. إن حركة الأيونات عبر غشاء الخلية في العضو الكهربائي لثعبان البحر الكهربائي تشبه حركة الإلكترونات في البطارية، مما يخلق فرق جهد يمكن استخدامه لتشغيل الأجهزة. من خلال دراسة الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكن للعلماء تطوير أنواع جديدة من البطاريات التي تكون أكثر كفاءة وأطول أمدًا من التقنيات الحالية.

يعد ثعبان البحر الكهربائي مخلوقًا رائعًا حقًا وقد أسر العلماء وعشاق الطبيعة لعدة قرون. إن قدرتها على توليد صدمات كهربائية قوية هي شهادة على التكيفات المذهلة التي يمكن العثور عليها في العالم الطبيعي. من خلال تعلم المزيد عن الكيمياء الكهربائية وراء قدرة ثعبان البحر الكهربائي على توليد الكهرباء، يمكننا الحصول على تقدير أكبر للتعقيد المذهل للعالم الطبيعي.

بالإضافة إلى ذلك، من المهم دعم الجهود المبذولة للحفاظ على الثعابين الكهربائية وموائلها. تواجه هذه المخلوقات الفريدة مجموعة متنوعة من التهديدات، بما في ذلك فقدان الموائل والصيد الجائر. من خلال دعم جهود الحفاظ على البيئة، يمكننا المساعدة في ضمان استمرار الثعابين الكهربائية في الازدهار في البرية لأجيال قادمة.

لذا، سواء كنت مهتمًا بمعرفة المزيد عن الكيمياء الكهربائية أو دعم جهود الحفاظ على البيئة، فهناك العديد من الطرق للمشاركة. ومن خلال اتخاذ الإجراءات اللازمة اليوم، يمكننا المساعدة في حماية هذه المخلوقات الرائعة والعالم الطبيعي الذي تعتبره وطنًا لها.

المصادر

1. How Do Electric Fish Produce Electricity?  | Science ABC
2. How do fish produce electricity | TEDED
3. Electric Eel Batteries | Nature Videos

تُستخدم تقنية حيود الأشعة السينية ـــX-ray diffraction (XRD) لفهم بنية المواد على المستوى الذري والجزيئي. الامر مثل امتلاك قوة خارقة تتيح لنا النظر داخل المواد ورؤية بنيتها المخفية. يمكننا فهم خصائص المواد، وتطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة، كما يمكننا حل بعض أكبر الألغاز في العلوم, عبر تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، بدءًا من علوم المواد والكيمياء وحتى الجيولوجيا والبيولوجيا. وقد تم استخدام قتنية حيود الآشعة لدراسة كل شيء من المعادن والفلزات إلى البروتينات والفيروسات. فكما تحدثنا في المقالات السابقة عن إمكانية استخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لدراسة سطح العينة، وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. يشيع استخدام (SEM) لدراسة شكل سطح المواد، وكذلك استخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لتكوين صورة للبنية الداخلية للعينة. ويشيع استخدامه لدراسة بنية المواد، والعيوب في المواد. سنتحدث في هذا المقال عن استخدام تقنية XRD لدراسة بنية المواد في الظروف القاسية، مثل الضغوط العالية ودرجات الحرارة. أحد أكثر تطبيقات XRD إثارةً هو دراسة المواد النانوية.

ما هي تقنية حيود الأشعة السينية وكيف تعمل؟

الأشعة السينية هي نوع من الإشعاع الكهرومغناطيسي بطول موجي يشبه المسافة بين الذرات في البلورات. عندما يتم تسليط الأشعة السينية على البلورة، فإنها تتناثر بواسطة الذرات الموجودة في البلورة. من ثم تتداخل الأشعة السينية المتناثرة مع بعضها البعض، ويسمى النمط الناتج من الأشعة السينية المتناثرة نمط الحيود. يحتوي نمط الحيود على معلومات حول المسافات بين الذرات الموجودة في البلورة والزوايا التي انحرفت عندها الأشعة السينية.

للحصول على نمط الحيود، توضع بلورة في مسار شعاع الأشعة السينية، ويتم وضع الكاشف لالتقاط الأشعة السينية المنحرفة. يتم تدوير البلورة، ويسجل الكاشف شدة الأشعة السينية المنحرفة بزوايا مختلفة. من خلال تحليل نمط الحيود الناتج، يمكن للعلماء إعادة بناء بنية البلورة. يُعتبر تحليل XRD بصمة للمواد. وكما أن كل شخص لديه بصمة فريدة، فإن كل مادة لها نمط XRD فريد. ومن خلال مقارنة نمط XRD لمادة ما بقاعدة بيانات للأنماط المعروفة، يمكننا التعرف على المادة وتحديد خصائصها. أهم ما يميز تقنية XRD أنها تقنية غير مدمرة، مما يعني أنها لا تلحق الضرر بالعينة التي يتم تحليلها. هذا يجعلها مفيدة بشكل خاص لدراسة المواد الحساسة أو القيمة. كما يمكن استخدامها لتحليل مجموعة واسعة من المواد [1] .

ما هي استخدامات تقنية حيود الأشعة السينية في علم المواد؟

أحدث حيود الأشعة السينية ثورة في فهمنا للمواد ولا تزال أداة حيوية في البحث العلمي والتطوير، حيث أنها تقنية تحليلية قوية يمكن استخدامها لتحديد التركيب البلوري لمجموعة واسعة من المواد. كما تستخدم على نطاق واسع في البحث العلمي، وخاصة في مجالات علوم المواد والكيمياء والجيولوجيا والفيزياء. فيما يلي بعض الطرق التي يمكن من خلالها استخدام تقنية XRD في علم المواد [2] :

• توصيف المواد Material characterization: يمكن استخدام XRD لتحديد التركيب البلوري وتركيب المواد، بما في ذلك المعادن والفلزات والسيراميك والبوليمرات. حيث تستخدم هذه المعلومات لفهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة. وكذلك تستخدم لتطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة والتي يمكن أن تكون مفيدة في مجالات البصريات، وعلوم المواد.
• مراقبة الجودة: يمكن استخدام XRD لضمان جودة المواد واتساقها، كما هو الحال في تصنيع الأدوية وأشباه الموصلات والسيراميك.
• تحليل المرحلة Phase analysis: يمكن استخدام XRD لتحديد المراحل الموجودة في المادة، بما في ذلك كمياتها النسبية وبنيتها البلورية. يمكن استخدام هذه المعلومات لدراسة التحولات الطورية، مثل الذوبان، وتفاعلات الحالة الصلبة، والتحولات متعددة الأشكال.
• التحليل الهيكلي Structural analysis: يمكن استخدام XRD لتحديد التركيب البلوري للمادة، بما في ذلك أبعاد خلية الوحدة، والمجموعة الوظيفية، والمواقع الذرية. مما يساعد على فهم الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمادة، وكذلك لتطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة.
• الدراسات الحركية Kinetics studies: يمكن استخدام XRD لدراسة حركية التحولات الطورية، مثل نمو البلورات أو تكوين أطوار جديدة في المواد، مثل الذوبان، وتفاعلات الحالة الصلبة، والتحولات متعددة الأشكال.

تسلط هذه التطبيقات الضوء على تنوع وأهمية XRD في علم المواد، مما يمكّن الباحثين من تطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة وفهم سلوك المواد الموجودة في التطبيقات المختلفة.

ما هي تطبيقات XRD في المجالات المختلفة؟

حيود الأشعة السينية عبارة عن تقنية متعددة الاستخدامات تجد تطبيقات في مجالات مختلفة تتجاوز علم المواد. فيما يلي بعض الأمثلة على تطبيقات XRD في مجالات أخرى [3] :

• الجيولوجيا: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين المعادن. حيث يساعد في تحديد وتصنيف الصخور والمعادن. ويمكنه أيضًا تقديم نظرة ثاقبة للعمليات الجيولوجية، مثل تكوين المعادن والصخور.
• علم الأحياء: يُستخدم XRD لتحديد التركيب البلوري للبروتينات والجزيئات البيولوجية الأخرى، مما يساعد في فهم وظيفتها وتفاعلاتها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة بنية DNA و RNA.
• الكيمياء: يستخدم XRD لتحديد التركيب البلوري للجزيئات الصغيرة، لفهم خصائصها وسلوكها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة بنية المحفزات والمواد الأخرى المستخدمة في التفاعلات الكيميائية.
• علم الآثار: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين القطع الأثرية لتحديد هويتها وتاريخها.
• الطب الشرعي: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري وتكوين المواد الموجودة في مسرح الجريمة، مما يساعد في تحديد الأدلة وتحليلها.
• المستحضرات الصيدلانية: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري للأدوية والمستحضرات الصيدلانية الأخرى، مما يساعد في فهم خصائصها وسلوكها. ويمكن استخدامه أيضًا لدراسة هيكل أنظمة توصيل الدواء.
• علم النانو: يستخدم XRD لدراسة التركيب البلوري للمواد النانوية، وهي مواد ذات أبعاد أقل من 100 نانومتر. تتمتع المواد النانوية بخصائص فريدة تجعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الحفز الكيميائي والإلكترونيات والطب. يعد حيود الأشعة السينية أداة قوية لدراسة التركيب البلوري للمواد النانوية، وهي مواد ذات أبعاد أقل من 100 نانومتر. تتمتع المواد النانوية بخصائص فريدة تجعلها مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الحفز الكيميائي والإلكترونيات والطب. فيما يلي بعض الطرق التي يتم من خلالها استخدام XRD لدراسة المواد النانوية.

بشكل عام، تعد تقنية XRD قوية تجد تطبيقات في مجالات مختلفة، مما يساعد في فهم بنية وخصائص المواد والجزيئات البيولوجية والمواد الأخرى.

ما هي أساسيات التركيب البلوري؟

التركيب البلوري هو ترتيب متكرر للذرات أو الأيونات أو الجزيئات في المادة. يلعب التركيب البلوري للمادة دورًا حاسمًا في تحديد خواصها الفيزيائية والكيميائية، مثل سلوكها الميكانيكي والكهربائي والحراري والبصري.

يتم وصف التركيب البلوري للمادة من خلال وحدة الخلية ـــ Unit Cell الخاصة بها، وهي أصغر وحدة متكررة في الشبكة البلورية. تُعرف خلية الوحدة من خلال معاملاتها الشبكية ـــ lattice parameters، والتي تشمل طول حوافها (a, b, c) والزوايا بينها (α, β, γ). تتكون الشبكة البلورية عن طريق تكرار خلية الوحدة في ثلاثة أبعاد، مما يؤدي إلى ترتيب دوري للذرات أو الجزيئات كما موضح بالشكل التالي.

يعتمد نوع التركيب البلوري على تماثل وحدة الخلية وترتيب الذرات أو الجزيئات داخلها. هناك عدة أنواع من الهياكل البلورية، بما في ذلك التركيب البلوري:

• المكعبي ـــ cubic
• الرباعي الزوايا ـــ tetragonal
• الثلاثي الزوايا ـــ Trigonal
• السداسي الشكل ـــ hexagonal
• معيني تقويمي ـــ orthorhombic
• الأحادي الميل ـــ monoclinic
• الثلاثي الميل ـــ triclinic

ومن البديهي أن نتسائل كيف يساعد الترتيب المختلف للذرات في خلية الوحدة والشبكة في تحديد التركيب البلوري للمركب؟ إن اختلاف ترتيب الذرات في الخلية الواحدة يؤدي إلى حيود الأشعة السينية بأنماط مختلفة. حيث يحتوي كل هيكل على نمط حيود الأشعة السينية الفريد (المشابه لبصمات الأصابع البشرية) الذي يعطي معلومات حول الترتيب المكاني المحدد للذرات في وحدة الخلية والشبكة. وهذا بدوره يعطي معلومات حول التركيب البلوري [4] .

كيفية تفسير أنماط حيود الأشعة السينية ؟

توفر أنماط حيود الأشعة السينية معلومات قيمة حول البنية البلورية للمادة، بما في ذلك حجم وشكل البلورات الموجودة في المادة. فيما يلي الخطوات الأساسية لتفسير نمط الحيود [2] :

• تحديد القمم: يتكون نمط XRD من سلسلة من القمم، والتي تتوافق مع حيود الأشعة السينية بواسطة الشبكة البلورية. يتوافق موضع كل قمة مع زاوية الحيود (2θ) والتباعد بين المستويات البلورية ـــ d-spacing.
• تحديد البنية البلورية: يمكن استخدام موضع وكثافة القمم لتحديد البنية البلورية للمادة. ويتم ذلك عن طريق مقارنة القمم المرصودة مع القمم المتوقعة للهياكل البلورية المختلفة، باستخدام قواعد بيانات مثل المركز الدولي لبيانات الحيود ـــ International Centre for Diffraction Data (ICDD)
• تحليل شكل وعرض الذروة: يمكن أن يوفر شكل وعرض القمم معلومات حول حجم وشكل البلورات في المادة. حيث تشير القمم العريضة إلى أحجام بلورية صغيرة أو عيوب بلورية، بينما تشير القمم الضيقة إلى أحجام بلورية أكبر.
• حساب حجم البلورات: يمكن حساب حجم البلورات في المادة باستخدام معادلة شيرير، التي تربط عرض الذروة بحجم البلورات. ويمكن استخدام هذه المعلومات لفهم الخواص الفيزيائية والكيميائية للمادة.
• تحليل شدة القمم: يمكن أن توفر شدة القمم معلومات حول اتجاه البلورة والملمس في المادة. على سبيل المثال، تشير القمم القوية إلى اتجاه بلوري مفضل، بينما تشير القمم الضعيفة إلى اتجاه عشوائي.

تعد XRD أداة رئيسية في تطوير مواد جديدة ذات خصائص محددة. من خلال فهم البنية البلورية للمادة، يمكننا تصميم مواد جديدة ذات خصائص محددة، مثل زيادة القوة، أو تحسين التوصيل، أو النشاط التحفيزي المعزز. يُستخدم حيود XRD أيضًا في مراقبة الجودة، مما يضمن اتساق المواد وجودتها العالية.

لا شك أن XRD تقنية رائعة وقوية تسمح لنا برؤية العالم غير المرئي للذرات والجزيئات. ولها تطبيقات في مجموعة واسعة من المجالات، وهي أداة رئيسية في تطوير مواد جديدة ذات خصائص مخصصة. باستخدام XRD، يمكننا كشف أسرار المواد وحل بعض أكبر الألغاز في العلوم. لكن المستقبل ما زال مفتوحًا أمامها لكشف المزيد من الأسرار العلمية.

المصادر

1. Crystal structure basics | LibreTexts Chemistry
2. X-ray Powder Diffraction (XRD) | MSU
3. X-Ray Diffraction Applications | ThermoFisher
4. Bravais Lattice | tutorix
5. Crystallography Basics | Lowa State University

الثلج الجاف هو ثاني أكسيد الكربون الصلب المتجمد (CO₂)على عكس الثلج العادي الذي يكون عبارة عن ماء متجمد. كما يوحي الاسم، فإن الثلج الجاف لا يذوب عند تعرضه لدرجة حرارة الغرفة أو الحرارة. وبدلًا من ذلك، يتحول مباشرة إلى غاز، المعروف أيضًا باسم “التسامي – sublimation “. يتجمد ثاني أكسيد الكربون ويظل متجمدًا عند درجة حرارة أقل من 78.5- درجة مئوية (109- درجة فهرنهايت). من ناحية أخرى، يتجمد الجليد العادي عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية (32 درجة فهرنهايت). هذا الاختلاف الهائل في درجة حرارة التجمد هو ما يجعل استخدام الثلج الجاف للتخييم طريقة رائعة للحفاظ على طعامك باردًا لفترة أطول. كما أنه لن يترك طعامك يفسد في السائل عندما يذوب. وكمكافأة مثيرة للاهتمام، يمكن أيضًا أن يبعد البعوض عن خيمتك لأن البعوض ينجذب إلى غاز ثاني أكسيد الكربون. ولكن لماذا لم يعد هذا الشكل البديل الرائع من الجليد شائعًا بعد؟ حسنًا، ذلك لأن الثلج الجاف ليس مثاليًا – ناهيك عن أنه خطير بعض الشيء إذا تم استخدامه بشكل غير صحيح. في هذا المقال، سنتعرف على الثلج البارد ومخاطره وكذلك استخداماته في الصناعات المختلفة.

ما هو الثلج الجاف وكيف تم اكتشافه؟

الثلج الجاف هو الشكل الصلب لثاني أكسيد الكربون (CO₂) الذي يستخدم عادة للتبريد المؤقت حيث أن ثاني أكسيد الكربون لا يحتوي على حالة سائلة عند الضغط الجوي العادي ويتصاعد مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية. تم ملاحظة الجليد الجاف لأول مرة في عام 1835 من قبل الكيميائي الفرنسي تشارلز ثيلورييه عندما فتح أسطوانة تحتوي على كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون السائل لمراقبته في شكل سائل. تبخر ما يكفي منه لترك كتلة ثلج جافة صلبة في قاع الحاوية. وعلى مدار الستين عامًا التالية، تمت ملاحظته في مختبرات الجامعة ولكن لم يتم استخدامه في أي تطبيقات عملية. وحتى اليوم، يمكن لأي شخص أن يأخذ أسطوانة معدنية من ثاني أكسيد الكربون السائل (مثل طفاية حريق ثاني أكسيد الكربون)، ويفتح الصمام، ويلاحظ سحابة الغاز المتسربة مع تحول جزء منها إلى ثلج جاف وثلج مسحوق. ومع ذلك، لم يكن هناك أي استخدام عملي فوري لهذه المادة حتى عشرينيات القرن العشرين عندما وجدت أخيرًا منزلًا تجاريًا حقيقيًا مع شركة Perst Air Devices. منذ ذلك الحين، تم استخدامه في مجموعة متنوعة من الصناعات، بما في ذلك الأغذية والزراعة والترفيه والشحن والتعبئة والتغليف [1].

ما هو الفرق بين الثلج الجاف والثلج العادي؟

يتم استخدام الثلج الجاف والثلج العادي للتبريد، لكن لديهم بعض الاختلافات الرئيسية. فيما يلي بعض الاختلافات الرئيسية بين الثلج الجاف والثلج العادي [2] :

ثلج جاف:

• مصنوع من ثاني أكسيد الكربون المتجمد وهو أبرد بكثير من الجليد العادي، حيث تبلغ درجة حرارته حوالي 109.3- درجة فهرنهايت (78.5- درجة مئوية).
• لا يذوب مثل الجليد العادي، ولكنه يتسامى مباشرة من الحالة الصلبة إلى الحالة الغازية، مما يعني أنه لن يجعل الأشياء مبللة.
• أخف من الثلج العادي مما يسهل نقله.
• يمكن أن يكون أكثر تكلفة من الثلج العادي، ويتطلب معالجة خاصة وتهوية لتجنب التعرض لمستويات عالية من ثاني أكسيد الكربون.
• يمكن استخدامه مع الثلج العادي لإطالة عمره.

الثلج العادي:

• مصنوع من الماء المتجمد وهو أرخص ويمكن الوصول إليه على نطاق أوسع.
• يذوب بمرور الوقت، مما قد يجعل الأشياء مبللة.
• أثقل من الثلج الجاف، مما قد يزيد من صعوبة نقله.
• متوفر بسهولة ويمكن شراؤه من العديد من محلات البقالة.
• يمكن استخدامه مع ثلج جاف للحفاظ على برودة العناصر لفترات أطول من الوقت.

باختصار، الثلج الجاف أبرد بكثير من الثلج العادي، ولا يذوب، وأخف وزنًا، لكنه قد يكون أكثر تكلفة ويتطلب معالجة خاصة. الثلج العادي أرخص ومتاح على نطاق أوسع، لكنه يذوب ويمكن أن يجعل الأشياء مبللة. كلا النوعين من الجليد لهما إيجابيات وسلبيات، ويتم استخدامهما في ظروف مختلفة حسب الموقف.

ما هي مخاطر استخدام الثلج الجاف بدلًا من الثلج العادي؟

قد يؤدي استخدام الثلج الجاف بدلاً من الثلج العادي إلى بعض المخاطر بسبب خصائصه الفريدة. فيما يلي بعض المخاطر المرتبطة باستخدام الثلج الجاف [3]:

الحروق: لمس الثلج الجاف بالجلد العاري يمكن أن يسبب حروقًا، كما أن التعرض له لفترة طويلة يمكن أن يسبب قضمة الصقيع.

قضمة الصقيع: لا تلمسه ببشرتك لكن استخدم الملقط أو القفازات المعزولة (السميكة) أو قفاز الفرن. نظرًا لأن درجة حرارته باردة جدًا، ويمكن أن يسبب قضمة صقيع شديدة إذا لامس الجلد.

الانفجار: يمكن أن يتسبب في انفجار الحاويات إذا تم تخزينه في حاوية محكمة الإغلاق أو إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. لا تقم أبدًا بتخزينه في حاوية محكمة الإغلاق. عندما يذوب يتحول من مادة صلبة مباشرة إلى غاز، ومن ثم يتراكم الغاز في الحاوية حتى ينفجر. سوف تتطاير القطع الحادة من الحاوية في كل مكان. تأكد من تهوية الحاوية الخاصة بك. أفضل مكان لتخزينه هو في صندوق من الستايروفوم مع غطاء فضفاض.

التعرض لثاني أكسيد الكربون والاختناق: يمكن للثلج الجاف أن يطلق غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء تساميه، مما قد يحل محل الأكسجين ويؤدي إلى الاختناق في المناطق سيئة التهوية مما يسبب ويسبب فقدان الوعي أو حتى الموت.

تشقق الأسطح: لا يُوضع مباشرة على أسطح العمل. يمكن أن تتسبب درجة الحرارة الباردة في تشقق السطح.

وأيضًا، لا تقم بتخزينه في الفريزر الخاص بك. سيؤدي ذلك إلى أن يصبح الفريزر الخاص بك باردًا جدًا وقد يتم إيقاف تشغيل الفريزر الخاص بك. ومع ذلك، إذا فقدت الطاقة لفترة طويلة من الزمن، فإن الثلج الجاف هو أفضل وسيلة للحفاظ على برودة الأشياء. من المهم التعامل بعناية واتباع احتياطات السلامة المناسبة لتجنب هذه المخاطر. ويشمل ذلك ارتداء القفازات والنظارات الواقية، واستخدامه في مناطق جيدة التهوية، وتخزينه في حاوية جيدة التهوية.

ما هي تطبيقات الثلج الجاف في مختلف الصناعات؟

فيما يلي بعض الاستخدامات الأكثر شيوعًا للثلج الجاف [4,5]:

التبريد والحفظ: يُستخدم بشكل شائع للحفاظ على برودة العناصر أثناء النقل، مثل المواد الغذائية والإمدادات الطبية والعينات البيولوجية.

التنظيف السريع: يمكن استخدامه لتنظيف الأسطح، مثل إزالة الطلاء أو تنظيف المعدات الصناعية.

المؤثرات الخاصة: يمكن استخدامه لإنشاء تأثيرات الضباب أو الدخان في العروض المسرحية والحفلات الموسيقية وغيرها من الأحداث.

التطبيقات الطبية: يُستخدم كذلك في الصناعة الطبية لتخزين العينات البيولوجية ونقل الإمدادات الطبية الحساسة لدرجة الحرارة.

تركيب الانكماش: يمكن استخدامه لتقليص الأجزاء المعدنية معًا.

التجميد السريع: يُستخدم لتجميد المنتجات والمأكولات البحرية وغيرها من الأطعمة بسرعة.

إزالة بق الفراش: يمكن استخدامه لجذب بق الفراش وإزالته.

جعل النباتات تنمو بشكل أسرع: يمكن استخدامه لزيادة مستوى ثاني أكسيد الكربون في الصوبة ـــ greenhouse، مما يمكن أن يعزز نمو النباتات.

التبريد أثناء عمليات الصناعة الكيميائية: في بعض التطبيقات، من المفيد أن تكون قادرًا على تبريد أو تبريد أو تجميد مادة بسرعة أثناء العملية. يمكن استخدام طاقة التبريد والبرودة الشديدة للثلج الجاف لإبطاء أو حتى إيقاف بعض التفاعلات الكيميائية. كما أنه يُستخدم أيضًا لتحييد القلويات وإنتاج “نقاط ـــ Traps” باردة توفر أسطحًا ذات درجة حرارة منخفضة جدًا يمكن للجزيئات أن تتكثف عليها.

هذه مجرد أمثلة قليلة على الاستخدامات العملية العديدة للثلج الجاف. إن تنوعها وخصائصها الفريدة تجعلها أداة قيمة في مجموعة متنوعة من الصناعات.

الثلج الجاف مادة متعددة الاستخدامات ولها استخدامات عديدة. من المهم استخدامه بشكل آمن ومسؤول، لأنه يمكن أن يسبب قضمة الصقيع وإصابات أخرى إذا لم يتم التعامل معه بشكل صحيح. ومع ذلك، عند استخدامه بشكل صحيح، يمكن أن يكون أداة قيمة لمجموعة متنوعة من الأغراض. وإذا كنت تستخدمه لأول مرة، فمن الجيد استشارة أحد المتخصصين للحصول على مزيد من المعلومات حول التعامل والاستخدام الآمن.

المصادر

1. Dry Ice History | Dry Ice Info
2. Dry Ice vs Regular Ice: Pros and Cons
3. Dry Ice Safety | National Weather Services
4. Dry Ice Applications | Dry Ice UK
5. 17Uses of Dry Ice – Commercial, Industrial, & Scientific Uses | TechieScientist

كما ذكرنا في المقال السابق يستخدم المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) شعاعًا من الإلكترونات لمسح سطح العينة، وإنشاء صورة ثلاثية الأبعاد. ويشيع استخدامه لدراسة مورفولوجية سطح المواد، مثل الحجم والشكل وتوزيع الميزات على السطح. بينما يستخدم المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) شعاعًا من الإلكترونات للمرور عبر عينة رقيقة، مما يؤدي إلى تكوين صورة للبنية الداخلية للعينة. ويشيع استخدامه لدراسة بنية المواد، مثل ترتيب الذرات والجزيئات، والعيوب في المواد.

يعد المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) بمثابة أداة لا غنى عنها في مجال علم النانو ويوفر رؤى لا تقدر بثمن حول بنية وخصائص المواد على المستوى الذري. بفضل قدرته على تصور العينات وتحليلها بتفاصيل لا مثيل لها، أصبح TEM تقنية أساسية للباحثين في مختلف التخصصات العلمية. في هذه المقالة، سنستكشف أساسيات المجهر الإلكتروني النافذ وتطبيقاته والصور المذهلة التي ينتجها.

ما هو المجهر الإلكتروني النافذ؟

المجهر الإلكتروني النافذ هو تقنية تستخدم شعاعًا من الإلكترونات عالية الطاقة للتفاعل مع العينة، والكشف عن بنيتها على المستوى الذري. يتكون الجهاز من مصدر إلكتروني وعدسات كهرومغناطيسية وحامل عينة وكاشفات. وهو يعمل على مبدأ ازدواجية الموجة والجسيم للإلكترونات، حيث يتصرف شعاع الإلكترون عالي الطاقة كموجة وكشعاع من الجسيمات [1].

كيف يعمل المجهر الإلكتروني النافذ؟

يتكون المجهر الإلكتروني النافذ من عدة مكونات رئيسية تعمل معًا لإنشاء صور عالية الدقة للعينات. تشمل هذه المكونات [1,2]:

1. مصدر الإلكترون: عادة ما يكون مصدر الإلكترون في TEM عبارة عن فتيل ساخن أو مسدس انبعاث مجال (FEG). تنبعث منها شعاع من الإلكترونات التي تعمل كمصدر أساسي لإضاءة العينة.

2. العدسات الإلكترونية: يمر شعاع الإلكترون عبر سلسلة من العدسات الكهرومغناطيسية التي تركز الشعاع وتشكله. وتشمل هذه العدسات عدسات مكثفة، والتي تركز الشعاع على العينة، والعدسات الشيئية، التي تركز الإلكترونات المنقولة على نظام التصوير.

3. حامل العينة: يحمل حامل العينة العينة الرقيقة في مكانها ويسمح بوضعها بشكل صحيح داخل المجهر. يجب تحضير العينة كقطعة رفيعة للسماح للإلكترونات بالمرور عبرها.

5. نظام التصوير: يتكون نظام التصوير في TEM من مجموعة من العدسات والفتحات وأجهزة الكشف. تركز العدسة الشيئية الإلكترونات المرسلة على العدسة المتوسطة، مما يزيد من تكبير الصورة. تقوم العدسة المتوسطة بعرض الصورة المكبرة على شاشة الفلورسنت أو الكاميرا الرقمية.

6. شاشة أو كاميرا الفلورسنت: يتم تشكيل الصورة النهائية على شاشة الفلورسنت أو يتم التقاطها بواسطة كاميرا رقمية. في أجهزة TEM القديمة، يتم استخدام شاشة الفلورسنت، حيث تتسبب الإلكترونات التي تضرب الشاشة في انبعاث ضوء مرئي، مما يؤدي إلى إنشاء صورة مرئية. في أجهزة TEM الحديثة، تُستخدم الكاميرات الرقمية بشكل شائع لالتقاط إشارة الإلكترون وتحويلها إلى صورة رقمية.

7. نظام الفراغ: تعمل TEM في ظل ظروف فراغ عالية لمنع تشتت الإلكترون والتفاعل مع جزيئات الهواء. يقوم نظام التفريغ بإزالة الهواء والغازات الأخرى من حجرة المجهر لضمان بيئة نظيفة ومستقرة للتصوير الإلكتروني.

8. برامج التحكم والتحليل: تم تجهيز TEM ببرامج تسمح للمستخدمين بالتحكم في معلمات مختلفة للمجهر، مثل كثافة الشعاع والتركيز وأوضاع التصوير. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي أجهزة TEM المتقدمة على أدوات تحليل مدمجة لقياس المسافات والزوايا وتنفيذ مهام معالجة الصور.

كيف يتم إعداد عينة لـ TEM؟

يتطلب إعداد عينة للمجهر الإلكتروني النافذ خطوات دقيقة لضمان جودة التصوير المثالية. فيما يلي نظرة عامة على عملية إعداد العينة [3] :

• اختيار العينة: اختر جزءًا تمثيليًا من المادة أو العينة محل الاهتمام. يمكن أن يكون مقطعًا رفيعًا من عينة بيولوجية، أو طبقة رقيقة، أو قطعة صغيرة من مادة صلبة.
• التثبيت (للعينات البيولوجية): في حالة العمل مع العينات البيولوجية، غالبًا ما يكون التثبيت ضروريًا للحفاظ على البنية ومنع التدهور. تشمل المثبتات الشائعة الجلوتارالدهيد أو الفورمالديهايد أو مزيج من الاثنين معًا.
• الجفاف: يجب تجفيف العينة لإزالة الماء، لأن الماء يمكن أن يتداخل مع انتقال الإلكترون. يتم ذلك عادةً عن طريق استبدال الماء تدريجيًا بالمذيبات العضوية، مثل الإيثانول أو الأسيتون، من خلال سلسلة من محاليل التركيز المتزايدة.
• التقسيم الرقيق: يتم تقطيع العينة المضمنة إلى أقسام رفيعة للغاية باستخدام مشراح فائق الدقة. يبلغ سمك هذه المقاطع عادةً حوالي 50-100 نانومتر. يتم جمع المقاطع على شبكة أو حامل عينة TEM.
• التلوين (اختياري): التلوين بالمعادن الثقيلة، مثل خلات اليورانيل أو سترات الرصاص، يمكن أن يعزز تباين العينة ويكشف عن هياكل أو مكونات محددة. التلوين مفيد بشكل خاص للعينات البيولوجية.
• التجفيف بالفراغ: يتم إخضاع العينة للتجفيف بالفراغ لإزالة أي مذيبات أو رطوبة متبقية. وهذا أمر بالغ الأهمية للحفاظ على بيئة الفراغ داخل TEM ومنع القطع الأثرية الناجمة عن بخار الماء المتبقي.
• تصوير: تصبح العينة المجهزة جاهزة للتصوي، حيث يتم تحميل حامل العينة في المجهر، ويتم تعيين معلمات التصوير المناسبة، مثل كثافة الشعاع والتركيز. يتم بعد ذلك وضع العينة ومسحها ضوئيًا للحصول على صور بتكبيرات مختلفة.

من المهم ملاحظة أن إعداد العينة لـ TEM يمكن أن يختلف وفقًا للمتطلبات المحددة للعينة وأهداف التصوير. قد تتضمن التقنيات المتخصصة، مثل تقنية التصوير المقطعي الإلكتروني للتصوير ثلاثي الأبعاد، خطوات إضافية. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري اتباع بروتوكولات السلامة المناسبة والتعامل مع العينات بعناية لتجنب التلوث أو الضرر.

ما هي مميزات المجهر الإلكتروني النافذ؟

• دقة عالية: يسمح TEM بالتصوير بدقة ذرية، مما يوفر تفاصيل لا يمكن الوصول إليها بواسطة تقنيات الفحص المجهري الأخرى.
• تحليل العناصر: باستخدام التحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة، يستطيع TEM تحديد العناصر الموجودة في العينة، مما يساعد الباحثين على فهم تركيبها.
• علم البلورات: TEM لا يقدر بثمن في دراسة التركيب البلوري للمواد. يمكن لأنماط الحيود الناتجة عندما يتفاعل شعاع الإلكترون مع البلورة أن تكشف معلومات حول ترتيب شبكتها.
• الهياكل النانوية والجسيمات النانوية: يتيح TEM تصور وتوصيف الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية وغيرها من الهياكل النانوية، مما يجعله ضروريًا لأبحاث تكنولوجيا النانو.

ما هي تطبيقات المجهر الإلكتروني النافذ؟

يحتوي المجهر الإلكتروني النافذ على مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مختلفة، بما في ذلك [4-6] :

• علم المواد: يستخدم TEM لدراسة بنية وخصائص المواد على المستوى الذري والجزيئي. يتم استخدامه لتحليل البنية المجهرية للمعادن والسيراميك والبوليمرات، وكذلك لدراسة خصائص المواد النانوية والمواد المركبة. يستخدم TEM أيضًا لدراسة التركيب البلوري للمعادن والصخور.
• علم الأحياء والطب: يستخدم TEM لدراسة بنية ووظيفة العينات البيولوجية، بما في ذلك الخلايا والأنسجة والفيروسات. يتم استخدامه للتحقيق في بنية البروتينات والأحماض النووية والجزيئات الحيوية الأخرى، وكذلك لدراسة التفاعلات بين الخلايا وبيئتها مما يساهم في تحقيق اختراقات في فهم الأمراض وتوصيل الأدوية. وأيضًا في أبحاث السرطان لدراسة بنية وسلوك الخلايا السرطانية.
• تقنية النانو: يستخدم TEM لدراسة خصائص المواد النانوية، بما في ذلك حجمها وشكلها وتركيبها. يتم استخدامه لدراسة بنية الجسيمات النانوية والأنابيب النانوية وغيرها من المواد النانوية، وكذلك لدراسة خصائصها الإلكترونية والبصرية.
• صناعة أشباه الموصلات: يُستخدم TEM في صناعة أشباه الموصلات لتحليل وإنتاج رقائق الكمبيوتر والمكونات الإلكترونية الأخرى. يتم استخدامه للتحقيق في بنية وخصائص المواد شبه الموصلة، وكذلك لتحديد العيوب والمشكلات الأخرى التي يمكن أن تؤثر على أداء الأجهزة الإلكترونية.

مستقبل التصوير الميكروسكوبي النافذ TEM

• TEM في الموقع: يسمح TEM في الموقع بمراقبة العمليات الديناميكية في الوقت الفعلي، مثل نمو المواد النانوية أو سلوك العينات البيولوجية في ظل ظروف مختلفة. أصبحت هذه التقنية ذات شعبية متزايدة، ومن المتوقع أن تؤدي التطورات في حاملي العينات وأنظمة التصوير إلى زيادة توسيع قدراتها.
• تقنية Cryo-TEM: هي تقنية تسمح بتصوير العينات في درجات الحرارة المبردة، مع الحفاظ على حالتها الأصلية وبنيتها. هذه التقنية مفيدة بشكل خاص لدراسة العينات البيولوجية، ومن المتوقع أن تؤدي التطورات في تقنية cryo-TEM إلى تحسين دقة التصوير وسرعته.
• التصوير متعدد الوسائط: يجمع التصوير متعدد الوسائط بين تقنيات التصوير المختلفة، مثل TEM والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، لتوفير فهم أكثر شمولاً لبنية المواد وخصائصها. من المتوقع أن تؤدي التطورات في التصوير متعدد الوسائط إلى تحسين دقة التصوير وتوفير رؤى جديدة للمواد المعقدة.

باختصار، يعد TEM أداة قوية لدراسة بنية وخصائص المواد على المستوى الذري والجزيئي. تطبيقاتها متنوعة وتتراوح من علوم المواد وعلوم الحياة إلى تكنولوجيا النانو وتحليل الطب الشرعي. لقد أحدث TEM ثورة في فهمنا للعالم من حولنا ولا يزال أداة أساسية للبحث العلمي والابتكار.

يفتح المجهر الإلكتروني النافذ عالمًا من التفاصيل والدقة المذهلة، مما يمكّن العلماء من التعمق في عالم الذرات والجزيئات. بفضل قدرته على تحليل المواد المختلفة، يلعب TEM دورًا أساسيًا في مجالات علمية متعددة، مما يساعد الباحثين على تطوير حلول مبتكرة ودفع حدود المعرفة. مع استمرار التقدم التكنولوجي، سيظل المجهر الإلكتروني النافذ بلا شك أداة لا تقدر بثمن لعقود قادمة.

المصادر

1. Transmission Electron Microscope | Britannica
2. Electron Microscopy Techniques for Investigating Structure and Composition of Hair-Cell Stereociliary Bundles | Frontiersin
3. TEM sample preparation techniques | The University of Gothenburg
4. Transmission Electron Microscope | Micrscopemaster
5. Transmission Electron Microscope | Nanoscience
6. transmission electron microscope | Science Direct
7. Galleries | UNIVERSITY OF ALBERTA
8. Assessment of cultured fish hepatocytes for studying cellular uptake and (eco)toxicity of nanoparticles | Environmental Chemistry

يشيع استخدام العزل الرغوي داخل الجدران لتحسين كفاءة الطاقة في المباني. يساعد على تقليل فقدان الحرارة في الشتاء وزيادة الحرارة في الصيف، مما قد يؤدي إلى انخفاض فواتير الطاقة وبيئة داخلية أكثر راحة. بالإضافة إلى تحسين كفاءة الطاقة، يمكن أن يساعد عزل الرغوة أيضًا في تقليل انتقال الضوضاء بين الغرف ومن الخارج. يمكن أن يساعد أيضًا في منع دخول الرطوبة إلى الجدران، مما قد يؤدي إلى ظهور العفن والمشاكل الأخرى المتعلقة بالرطوبة. كما يوفرمزايا أخرى تجعله خيارًا شائعًا للبناة وأصحاب المنازل على حد سواء.

ما هو تاريخ ومستقبل العزل الرغوي؟

يعود تاريخ عزل الرغوة إلى عدة عقود، مع التطورات والابتكارات في المواد والتقنيات التي تساهم في استخدامها على نطاق واسع اليوم. فيما يلي نظرة عامة موجزة عن تاريخ عزل الرغوة [1] :

التطورات المبكرة: تعود جذور العزل الرغوي إلى منتصف القرن العشرين عندما بدأ الباحثون بتجربة مواد مختلفة لتحسين عزل المبنى. واحدة من أقدم أشكال العزل الرغوي كانت رغوة البوليسترين الموسعة ، والتي تم تطويرها في الأربعينيات من القرن الماضي واكتسبت شعبية بسبب وزنها الخفيف وخصائصها العازلة.

من ثم في الخمسينيات من القرن الماضي، تم إدخال عازل رغوة البولي يوريثان. يوفر هذا النوع من العزل الرغوي قدرات عزل فائقة ويمكن رشه أو حقنه في الجدران والسندرات والأماكن الأخرى. اكتسبت رغوة البولي يوريثان زخمًا سريعًا في صناعة البناء نظرًا لتعدد استخداماتها وفعاليتها.

بعد ذلك، خلال الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي، تم إحراز مزيد من التقدم في تقنية عزل الرغوة بالرش. أحدث تطوير رغوة الرش ثنائية المكونات، والتي تضمنت خلط المواد الكيميائية في الموقع لإنشاء رغوة متوسعة، مما يُعتبر ثورة في الصناعة. سمح ذلك بتحكم أفضل في تمدد الرغوة وتحسين قدرتها على سد الفجوات والفجوات.

في فترة الستينيات بالتحديد، أصبحت مواد العزل الرغوية الصلبة مثل البوليسترين الموسع ورغوة البولي أيزوسيانورات (بولي إيزو) مستخدمة على نطاق واسع. كانت هذه المواد شائعة الاستخدام في البناء التجاري والسكني لعزل الجدران والأسقف والأساسات.

في السنوات الأخيرة، كان هناك تركيز متزايد على خيارات العزل الصديقة للبيئة. وقد أدى ذلك إلى تطوير مواد عزل رغوية أكثر استدامة، مثل الرغاوي الحيوية المصنوعة من موارد متجددة مثل زيت الصويا أو زيت الخروع.

يستمر مجال عزل الرغوة في التطور مع البحث والتطوير المستمر. تعمل التركيبات الجديدة وتقنيات التركيب المحسّنة ومعايير كفاءة الطاقة المحسّنة على دفع الصناعة إلى الأمام. تهدف الابتكارات في مجال العزل الرغوي إلى توفير أداء حراري أفضل ومقاومة للرطوبة والسلامة من الحرائق واستدامة عامة.

ما هي المواد المستخدمة في العزل الرغوي؟

هناك عدة أنواع من عوازل الرغوة التي يمكن استخدامها داخل الجدران، بما في ذلك رغوة الرش، والرغوة الصلبة، وألواح الفوم. تعتبر رغوة الرش خيارًا شائعًا لأنه يمكن تطبيقها بسهولة على المساحات غير المنتظمة ويمكن أن تتوسع لملء الفجوات والشقوق. تعتبر الرغوة الخشنة والألواح الرغوية فعالة أيضًا في عزل الجدران ويمكن أن توفر دعمًا هيكليًا إضافيًا. تشمل الأنواع الأكثر شيوعًا لمواد العزل الرغوي ما يلي [2,3] :

رغوة البولي يوريثان – Polyurethane foam: هذا نوع من عازل رغوة الرش يتم تصنيعه عن طريق خلط مادتين كيميائيتين معًا. عندما يتم الجمع بين المواد الكيميائية، فإنها تتفاعل وتتوسع لملء الفراغ حيث يتم تثبيت العزل. تشتهر رغوة البولي يوريثان بخصائصها العازلة الممتازة وقدرتها على سد الفجوات والشقوق في الجدران.

رغوة البولي أيزوسيانورات – Polyisocyanurate foam: هذا نوع من العزل الرغوي الصلب الذي يتم تصنيعه عن طريق الجمع بين الإيزوسيانورات والبولي يوريثان. تُعرف رغوة البولي أيزوسيانورات بقيمتها العالية من مقياس المقاومة الحرارية، مما يجعلها عازلًا فعالًا للجدران والأسقف ومناطق أخرى من المبنى.

الرغوة الفينولية – Phenolic foam: هذا النوع من العزل الرغوي مصنوع من راتنج الفينول فورمالدهايد وهو معروف بمقاومته الممتازة للحريق وانبعاثات الدخان المنخفضة. غالبًا ما تستخدم الرغوة الفينولية في المباني التجارية وغيرها من المناطق التي تكون فيها السلامة من الحرائق أولوية قصوى.

رغوة البوليسترين الموسع – Expanded polystyrene foam: هذا نوع من عازل الرغوة الذي يتم تصنيعه عن طريق تسخين وتوسيع حبيبات البوليسترين. رغوة البوليسترين الموسعة خفيفة الوزن وسهلة التركيب وتوفر عزلًا جيدًا للجدران والأسقف والأساسات.

توفر مواد العزل الرغوي مجموعة من الفوائد، بما في ذلك العزل الحراري الممتاز ومقاومة الرطوبة ومقاومة الحريق. يعتمد اختيار المواد على الاحتياجات المحددة للمبنى وتفضيلات المنشئ أو صاحب المنزل.

ما هي استخدامات الرغوة العازلة؟

فيما يلي بعض الاستخدامات الشائعة لعزل الرغوة [3] :

عزل المباني ومجاري الهواء والتكييف: يتم استخدام العزل الرغوي لعزل مجاري الهواء (التدفئة والتهوية وتكييف الهواء). تمنع القنوات العازلة فقدان الحرارة أو اكتسابها أثناء توزيع الهواء المكيفز وكذلك في الجدران والأسقف والسندرات والأساسات لتقليل انتقال الحرارة وتقليل تسرب الهواء والحفاظ على درجات حرارة داخلية مريحة. مما يحسن الكفاءة الكلية لنظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء. يساعد في الحفاظ على درجات حرارة ثابتة، وتقليل هدر الطاقة، وتحسين جودة الهواء الداخلي.

عزل الأنابيب: يستخدم العزل الرغوي لعزل الأنابيب في الأماكن السكنية والتجارية والصناعية. يساعد على منع فقدان الحرارة أو اكتسابها من أنابيب المياه الساخنة أو الباردة، وتحسين كفاءة الطاقة وتقليل مخاطر التجمد أو التكثيف. يقلل عزل الأنابيب أيضًا من انتقال الحرارة إلى المساحات المجاورة، مما يضمن الأداء الأمثل ويقلل من تكاليف الطاقة.

عازل للصوت: يتم استخدام مواد العزل الرغوية، خاصة تلك ذات خصائص امتصاص الصوت، لتطبيقات عزل الصوت. يتم استخدامها في الجدران والسقوف والأرضيات لتقليل انتقال الضوضاء بين الغرف أو من المصادر الخارجية. يساعد العزل الرغوي على إنشاء بيئات أكثر هدوءًا وأكثر راحة من الناحية الصوتية في المساحات السكنية والتجارية والترفيهية.

التعبئة والتغليف والشحن: يتم استخدام العزل الرغوي في مواد التعبئة والتغليف لحماية العناصر الهشة أو الحساسة أثناء النقل. توفر الحشوات الرغوية أو الألواح الرغوية أو عبوات الرغوة المصبوبة حسب الطلب توسيدًا وامتصاصًا للصدمات، مما يمنع التلف الناتج عن التأثيرات أو الاهتزازات. يساعد العزل الرغوي أيضًا على عزل المنتجات الحساسة للحرارة، مثل الأغذية أو الأدوية، أثناء الشحن.

السيارات ومركبات الفضاء: تُستخدم مواد العزل الرغوية في الأجزاء الداخلية للمركبة، ومقصورات المحرك، وكبائن الطائرات، وغيرها من المناطق التي تتطلب خصائص العزل. يساعد على تنظيم درجة الحرارة وتقليل الضوضاء وتعزيز راحة الركاب.

هذه مجرد أمثلة قليلة للتطبيقات المتنوعة لعزل الرغوة. إن تعدد استخداماته وخصائصه الحرارية وقدرته على سد الفجوات والتجاويف تجعله مادة قيّمة في مختلف الصناعات حيث يكون العزل والحماية وكفاءة الطاقة أمرًا ضروريًا.

ما هو تأثير العزل الرغوي على البيئة؟

يمكن أن يكون لعزل الرغوة تأثيرات إيجابية وسلبية على البيئة، اعتمادًا على نوع الرغوة المستخدمة وتركيبها وطرق التخلص منها. فيما يلي بعض التأثيرات البيئية لعزل الرغوة [4] :

تحسين كفاءة الطاقة: من خلال تقليل انتقال الحرارة وتقليل تسرب الهواء، يساعد عزل الرغوة على تقليل استهلاك الطاقة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري المرتبطة بالتدفئة والتبريد. هذا يؤدي إلى تقليل البصمة الكربونية للمباني ويساهم في بيئة مبنية أكثر استدامة.

استهلاك الموارد: يتطلب إنتاج مواد العزل الرغوي استخدام موارد غير متجددة مثل الوقود الأحفوري والمواد الكيميائية. يمكن أن ينتج عن عملية التصنيع أيضًا نفايات وانبعاثات تساهم في تلوث الهواء والماء. ومع ذلك ، فإن بعض مواد العزل الرغوي، مثل الرغاوي الحيوية المصنوعة من موارد متجددة، يمكن أن تقلل من الأثر البيئي لاستهلاك الموارد.

المواد الكيميائية والسموم: تحتوي بعض مواد العزل الرغوي على مواد كيميائية يمكن أن تكون ضارة بصحة الإنسان والبيئة. على سبيل المثال، مادة الأيزوسيانات والتي يمكن أن تسبب مشاكل في الجهاز التنفسي وتهيج الجلد. يمكن أن يؤدي التركيب السليم والتعامل مع العزل الرغوي إلى تقليل التعرض لهذه المواد الكيميائية.

غير قابلة للتحلل البيولوجي: قد يكون من الصعب التخلص من مواد العزل الرغوية، لأنها غير قابلة للتحلل البيولوجي ويمكن أن تشغل مساحة في مدافن النفايات. يمكن أن يؤدي التخلص غير السليم من عازل الرغوة أيضًا إلى تلوث البيئة. ومع ذلك، يمكن إعادة تدوير بعض مواد العزل الرغوية أو إعادة استخدامها، مما يقلل من تأثيرها على البيئة.

يمكن أن يكون لعزل الرغوة تأثير إيجابي على البيئة من خلال تحسين كفاءة الطاقة وتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري. ومع ذلك، فمن المهم النظر في الآثار البيئية المحتملة للمواد العازلة الرغوية واتخاذ خطوات لتقليل آثارها السلبية. يمكن أن يساعد التركيب السليم للعزل الرغوي والتعامل معه والتخلص منه في تقليل تأثيره على البيئة.

المصادر

1. Spray Foam Systems | A Brief History of Spray Foam Insulation
2. GlobalSpec | Foam Insulation
3. Trocellen | Foam Materials
4. Lofteaze | The Environmental Impact of Spray Foam Insulation: What You Need to Consider

الألعاب النارية هي عرض يأسر الجماهير في جميع أنحاء العالم. إنهم يعملون من خلال مزيج من الكيمياء والفيزياء والفن. تستخدم المفرقعات في مجموعة متنوعة من الأحداث، بما في ذلك الألعاب الرياضية والحفلات الموسيقية والاحتفالات. كما أنها تستخدم في الجيش للتواصل وإنشاء ضوضاء.

ما هو تاريخ الألعاب النارية؟

يعود تاريخ المفرقعات النارية إلى آلاف السنين، مع أصولها في الصين القديمة. فيما يلي نظرة عامة موجزة عن تاريخ الألعاب النارية [1] :

الصين القديمة: يعود أقدم استخدام إلى عهد أسرة تانغ في الصين (618-907 م). استخدم الصينيون الألعاب النارية للاحتفالات الدينية والأغراض العسكرية.

انتشر إلى بلدان أخرى: من ثم انتشر استخدامها إلى بلدان أخرى، بما في ذلك اليابان والهند والشرق الأوسط، من خلال الفتوحات التجارية والعسكرية.

أوروبا: تم إدخال الألعاب النارية إلى أوروبا في القرن الرابع عشر، على الأرجح من خلال التجارة مع الشرق الأوسط. أصبحوا مشهورين في الاحتفالات، مثل حفلات الزفاف والتتويج.

إيطاليا: اشتهرت إيطاليا بفنيي المفرقعات النارية المهرة في القرن السادس عشر. لقد طوروا تقنيات وتصميمات جديدة لعروض جذابة انتشرت في جميع أنحاء أوروبا.

الألعاب النارية الحديثة: في القرن التاسع عشر، تم تطوير مواد كيميائية ومواد جديدة، مما سمح بألوان أكثر حيوية وتأثيرات تدوم طويلاً. أصبحت المفرقعات النارية شكلاً شائعًا من وسائل الترفيه للاحتفالات العامة، مثل يوم الاستقلال في الولايات المتحدة.

تُستخدم المفرقعات النارية اليوم في مجموعة متنوعة من الاحتفالات حول العالم، بما في ذلك ليلة رأس السنة الجديدة، والأعياد الوطنية، والمهرجانات الثقافية. لا يزالون رمزًا للفرح والاحتفال، ويعكس تاريخهم التبادل الثقافي والابتكار الذي شكل عالمنا.

ما هو التكوين الداخلي للألعاب النارية؟

المفرقعات تستخدم لتوليد صوت عالي وألوان جذابة لجذب الانتباه. وهي مصنوعة من مسحوق بارود يوضع في أنبوب معدني أو بلاستيكي. عندما يتم إشعال البارود، فإنه ينتج انفجارًا يدفع الأنبوب إلى الأمام ويخلق صوتًا عاليًا. فيما يلي تفصيل لمكونات كيفية عمل الألعاب النارية [2,3] :

بناء قشرة: تتكون المفرقعات النارية عادة من غلاف مصنوع من الورق أو الكرتون، والذي يحتوي على عدة مكونات.

المصهر: فتيل متصل بالقشرة، يشتعل لبدء تسلسل التفاعلات.

شحنة الرفع: شحنة الرفع هي المكون الأول المتفجر. عندما تشتعل، تدفع المفرقعات في الهواء.

شحن الاندفاع: بمجرد وصول المفرقعات إلى الارتفاع المطلوب، تشتعل شحنة الانفجار. إنها مسؤولة عن إحداث الانفجار والتأثيرات المرئية اللاحقة.

النجوم: النجوم عبارة عن كريات صغيرة مصنوعة من مواد كيميائية مختلفة. تحتوي على مزيج من المؤكسدات والوقود والأملاح المعدنية. تحدد هذه المواد الكيميائية اللون والتأثيرات المرئية.

صمام تأخير الوقت: تم تصميمالمفرقعات مع صمامات تأخير الوقت للتحكم في تسلسل الانفجارات. هذا يسمح بعرض مصمم لتأثيرات مختلفة.

الاشتعال: عندما تشتعل شحنة الانفجار، فإنها تطلق كمية كبيرة من الغاز والحرارة، مما يؤدي إلى انفجار القشرة. في نفس الوقت، يشعل النجوم الموجودة داخل الغلاف.

الاحتراق: يؤدي اشتعال النجوم إلى تفاعل كيميائي يُعرف بالاحتراق. توفر المؤكسدات في النجوم الأكسجين لحرق الوقود، بينما تنتج الأملاح المعدنية ألوانًا نابضة بالحياة عند تسخينها.

التأثيرات المرئية: يؤدي الجمع بين المواد الكيميائية والأملاح المعدنية المختلفة في النجوم إلى مجموعة متنوعة من التأثيرات المرئية، مثل التألق أو الطقطقة أو التوهج. الألوان المنتجة تعتمد على الأملاح المعدنية المستخدمة.

المؤثرات الصوتية: تتضمن بعض المفرقعات أيضًا مكونات مثل مزيج الصافرة أو مسحوق الفلاش، والتي تنتج مؤثرات صوتية مثل الصفارات أو الدوي.

تدابير السلامة: تم تصميم االمفرقعات بعناية لضمان السلامة. يتم إطلاقها من منصة مستقرة، ويتعامل معها المحترفون من خلال التدريب والاحتياطات المناسبة.

ما هي المواد الكيميائية المُستخدمة في صنع الألعاب النارية؟

تحتوي الألعاب النارية على مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية التي تم اختيارها بعناية ودمجها لإنتاج التأثيرات المرئية والسمعية المرغوبة. فيما يلي بعض المواد الكيميائية شائعة الاستخدام في الألعاب النارية [2,3] :

المؤكسدات: توفر المؤكسدات الأكسجين لدعم عملية الاحتراق. تشمل المؤكسدات الشائعة المستخدمة نترات البوتاسيوم ونترات الصوديوم وكلورات البوتاسيوم. تطلق هذه المركبات الأكسجين عند تسخينها، مما يساعد على حرق المكونات الأخرى.

الوقود: الوقود عبارة عن مواد تحترق وتنتج طاقة على شكل حرارة وضوء. يشيع استخدام مسحوق الفحم والكبريت والألمنيوم كوقود. يوفر الفحم الكربون، الذي يتحد مع الأكسجين من المؤكسدات لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الطاقة. يعمل الكبريت كوقود ويساعد في الحفاظ على عملية الاحتراق. يضاف مسحوق الألمنيوم لتعزيز سطوع وكثافة الضوء الناتج.

الأملاح المعدنية: الأملاح المعدنية مسؤولة عن الألوان الزاهية التي تظهر في السماء. تنتج الأملاح المعدنية المختلفة ألوانًا مختلفة عند تسخينها. على سبيل المثال، تنتج أملاح السترونتيوم اللون الأحمر، وأملاح الباريوم تنتج اللون الأخضر، وأملاح النحاس تنتج اللون الأزرق، وأملاح الصوديوم تنتج اللون الأصفر. غالبًا ما يتم دمج هذه الأملاح المعدنية مع مركبات أخرى لإنشاء ألوان وظلال محددة.

المواد الرابطة: المواد الرابطة هي المواد التي تجمع المواد الكيميائية معًا. تشمل المواد الرابطة الشائعة الدكسترين، وهو نوع من النشا مشتق من الذرة أو البطاطس، والشيلاك أو اللّكّ، وهو مادة راتنجية يتم الحصول عليها من خنفساء اللاك. تساعد المواد الرابطة على الصاق المكونات والكيمياويات معًا لتشكيل الشكل المطلوب.

المبردات: تحتوي بعض التصميمات على مبردات لتقليل درجة حرارة الاحتراق ومنع الاشتعال المبكر للمكونات الأخرى. المبردات مثل كبريتات البوتاسيوم أو بيكربونات الصوديوم تمتص الحرارة وتساعد في الحفاظ على الحرق المتحكم فيه.

الدوافع: تستخدم الدوافع في المفرقعات ذات المكونات المتحركة، مثل الصواريخ أو المقذوفات. أنها توفر الدفع اللازم لدفع المفرقعات في الهواء. يستخدم المسحوق الأسود، وهو خليط من الكبريت والفحم ونترات البوتاسيوم، بشكل شائع كوقود دافع.

استخدامات الألعاب النارية

يستمر استخدام المفرقعات النارية على نطاق واسع لأغراض مختلفة في العصر الحديث. فيما يلي بعض الاستخدامات الشائعة للألعاب النارية اليوم [4] :

1. الاحتفالات والمهرجانات: تعتبر الألعاب النارية عنصر أساسي في الاحتفالات والمهرجانات في جميع أنحاء العالم. يضيفون عنصرًا مرئيًا مذهلاً إلى أحداث مثل ليلة رأس السنة الجديدة وعيد الاستقلال وديوالي ورأس السنة الصينية الجديدة والعديد من الاحتفالات الثقافية والدينية الأخرى. تخلق الألعاب النارية إحساسًا بالإثارة والفرح والمشهد، مما يعزز التجربة الكلية للمشاركين والمتفرجين.

2. الترفيه والعروض: يتم تنظيم عروض الألعاب النارية كأحداث ترفيهية قائمة بذاتها أو كجزء من عروض أكبر، مثل الحفلات الموسيقية والأحداث الرياضية ومناطق الجذب في المنتزهات الترفيهية. غالبًا ما تتميز هذه الشاشات بالموسيقى المتزامنة والتسلسلات المصممة وتصميمات الألعاب النارية المتقنة لخلق تجربة آسرة وغامرة للجمهور.

3. حفلات الزفاف والمناسبات الخاصة: أصبحت الألعاب النارية ذات شعبية متزايدة في حفلات الزفاف والمناسبات الخاصة الأخرى. يضيفون لمسة من الفخامة ويخلقون لحظات لا تنسى للزوجين وضيوفهم. يمكن تخصيص عروض الألعاب النارية لتتناسب مع موضوع الحدث أو مخطط ألوانه، مما يجعلها إضافة فريدة وساحرة للاحتفال.

4. أحداث الشركات والعلامات التجارية: تستخدم الشركات والمؤسسات المفرقعات لإحداث تأثير لا يُنسى أثناء إطلاق المنتجات والافتتاحات الكبرى وأحداث الشركات. إنها بمثابة مشهد بصري يجذب الانتباه ويعزز العلامة التجارية ويترك انطباعًا دائمًا لدى الحضور.

5. العروض الثقافية والفنية: تستخدم المفرقعات أيضًا كوسيلة للتعبير الفني والعروض الثقافية. ينشئ الفنانون وفنيو المفرقعات عروض معقدة ومذهلة بصريًا تحكي القصص أو تصور الأحداث التاريخية أو تعرض الإبداع الفني. غالبًا ما تجمع هذه العروض بين الألعاب النارية والموسيقى والرقص وأشكال أخرى من التعبير الفني.

نصائح عند استخدام المفرقعات

المفرقعات يمكن أن تكون خطيرة إذا لم يتم استخدامها بشكل صحيح. من المهم قراءة التعليمات بعناية واتباع جميع احتياطات السلامة عند استخدام المفرقعات [5,6].

فيما يلي بعض النصائح لاستخدام المفرقعات بأمان:

• اتبع القوانين واللوائح المحلية: تختلف قوانين ولوائح الألعاب النارية حسب الولاية والبلد. قبل الاستخدام، تأكد من مراجعة القوانين واللوائح المحلية للتأكد من أنك تستخدمها بشكل قانوني وآمن.
• استخدم الألعاب النارية في مكان آمن: يجب استخدامها فقط في منطقة مفتوحة وواضحة بعيدًا عن المباني والأشجار والأشياء الأخرى القابلة للاشتعال. تأكد من أن المنطقة خالية من أي مخاطر محتملة، مثل خطوط الكهرباء أو العشب الجاف.
• لا تقم أبدًا بإعادة إحضار لعبة نارية: إذا فشلت الألعاب النارية في الاشتعال أو خرجت قبل أن تنفجر بالكامل، فلا تحاول إعادة إشعالها. انتظر 20 دقيقة على الأقل ثم انقعها في الماء قبل التخلص منها.
• حافظ على مسافة آمنة: احتفظ دائمًا بمسافة آمنة من الألعاب النارية عند إشعالها. تختلف المسافة الموصى بها اعتمادًا على نوع الألعاب النارية، ولكن القاعدة العامة هي البقاء على بعد 30 مترًا على الأقل.
• الإشراف على الأطفال: يجب ألا يتعامل الأطفال مع الألعاب النارية مطلقًا، ويجب دائمًا أن يشرف عليهم شخص بالغ مسؤول عند الاستخدام.
• تخلص من الألعاب النارية بشكل صحيح: بعد استخدام المفرقعات، تخلص منها بشكل صحيح عن طريق نقعها في الماء ووضعها في وعاء معدني. لا تتخلص منها في سلة المهملات أو تتركها مستلقية.

المصادر:

1. Americanpyro | History of fireworks
2. Penn Today | The chemistry behind fireworks
3. AGS | What minerals are used in fireworks?
4. Kuoni | Fireworks celebrations around the world
5. Kids health | Fireworks Safety
6. Mayo clinic health system | Use caution with fireworks

تعتبر الكثافة خاصية مهمة لها العديد من التطبيقات في المجالات العلمية والبيئية المختلفة، بما في ذلك الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد. لذا يمكن استخدامها لتحديد المواد وتصنيفها، وكذلك للتنبؤ بكيفية تصرفها في ظل ظروف مختلفة. على سبيل المثال، يمكن أن تساعد كثافة مادة ما في تحديد ما إذا كانت ستطفو أو تغرق في الماء، أو ما إذا كانت ستكون صلبة أو سائلة أو غازية عند درجة حرارة وضغط معينين.

إن فهم كثافة المواد والتحكم فيها، يُمكن العلماء والمهندسين من تطوير مواد جديدة بخصائص محددة، وتصميم الأجهزة والهياكل لتناسب التطبيقات المقصودة. الكثافة هي خاصية مادية تعبر عن علاقة كتلة المادة بالحجم. كلما زادت كتلة الجسم في مساحة معينة، زادت كثافته. ومع ذلك، لا ترتبط هذه العلاقة فقط بمدى تقارب ذرات عنصر أو جزيئات المركب معًا. تتأثر الكثافة أيضًا بالكتلة الذرية للعنصر أو المركب. نظرًا لأن المواد المختلفة لها كثافة مختلفة، فإن قياسات الكثافة تعد وسيلة مفيدة لتحديد المواد. يمكن أحيانًا الخلط بين الكثافة والوزن في أذهاننا لأن كثافة جسمين متساويين في الحجم ستكون أثقل. نستنتج أن العلاقة بين الكتلة والحجم هي التي تحدد الكثافة وليس الحجم أو الكتلة وحدهما، أو حتى مدى قرب الذرات أو الجزيئات [1].

تطبيقات الكثافة في المجالات العلمية المختلفة

الكثافة خاصية أساسية للمادة لها العديد من التطبيقات المهمة في العلوم. فيما يلي بعض الأمثلة على كيفية استخدام الكثافة في المجالات العلمية المختلفة [2,3] :

• في الجيولوجيا: تستخدم الكثافة لدراسة تكوين الصخور والمعادن. ويمكن أن تساعد كثافة الصخور أو المعادن الجيولوجيين في تحديد عمرها، ومنشأها، وتركيبها الكيميائي.
• في علم الأحياء: تستخدم الكثافة لدراسة بنية الخلايا والأنسجة. إذ يمكن أن تساعد كثافة الخلايا والأنسجة علماء الأحياء على فهم كيفية عملها وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض.
• في الهندسة: تستخدم الكثافة لتصميم الهياكل والمواد. وتساعد كثافة المادة المهندسين في تحديد قوتها وقدرتها على تحمل الحرارة وقدرتها على توصيل الكهرباء.
• في الكيمياء: تستخدم الكثافة لتحديد وتصنيف المواد. فلكل مادة كثافة فريدة يمكن استخدامها لتمييزها عن المواد الأخرى. على سبيل المثال، تبلغ كثافة الماء 1 جم/سم³، بينما تبلغ كثافة الإيثانول 0.79 جم/سم³. من خلال قياس كثافة مادة غير معروفة، يمكن للكيميائيين تحديد ماهيتها ومدى نقاوتها. انظر إلى الجدول للحصول على أمثلة لكثافة المواد الشائعة.

• في الفيزياء: تستخدم الكثافة لوصف سلوك السوائل. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الهواء على كيفية انتقال الموجات الصوتية من خلاله. تؤثر كثافة الغاز أيضًا على قابليته للطفو وكيف يتصرف في ظروف مختلفة. بالإضافة إلى ذلك، تؤثر كثافة المادة على الموصلية الحرارية، وهو أمر مهم لفهم كيفية انتقال الحرارة من خلال المواد المختلفة.

بعض تطبيقات الكثافة العملية في العلوم المختلفة

• لدراسة باطن الأرض: تختلف كثافة باطن الأرض باختلاف الأعماق. وذلك لأن باطن الأرض يتكون من طبقات مختلفة من المواد، ولكل منها كثافتها الفريدة. ومن خلال دراسة كثافة باطن الأرض، يمكن للعلماء معرفة المزيد عن تكوينها وهيكلها.
• لحساب الطفو: الطفو هو القوة التي تدفع الجسم لأعلى في السائل. وبالتالي مقدار الطفو الذي يختبره الجسم يساوي وزن السائل الذي يزيحه. تعد كثافة السائل أحد العوامل التي تحدد مقدار الطفو الذي يمر به الجسم. كما ينص مبدأ أرخميدس على أن قوة الطفو على جسم مغمور تساوي وزن السائل المزاح. يمكن استخدام هذا المبدأ لحساب كثافة الجسم عن طريق قياس كمية الماء التي يزيحها. يستخدم هذا المبدأ في تقدير حجم الغاطس للسفن العملاقة، فيدفعها لتخفيف حمولتها أو تحديد مسارها بحسب غاطس الممر الملاحي. وتعبر السفن العملاقة ذات الغاطس شديد العمق من طريق رأس الرجاء الصالح بدلًا من قناة السويس المصرية.

• لتحديد معدل الانتشار: معدل الانتشار هو السرعة التي تنتشر بها المادة عبر غاز أو سائل. لذلك تعد كثافة المادة أحد العوامل التي تحدد معدل الانتشار. ستنتشر المادة الأقل كثافة بسرعة أكبر من المادة الأكثر كثافة.

هذه ليست سوى عدد قليل من الطرق العديدة التي تستخدم بها الكثافة في العلوم.

الكثافة في الحياة البحرية

فيما يلي بعض الأمثلة على مدى صلة الكثافة بالحفاظ على المياه [1-5]:

1. حرارة المياة بين الأعلى والأسفل: تعتبر كثافة الماء عاملاً مهماً في البيئة وتؤثر على حركة المياه في الأنهار والبحيرات والمحيطات. حيث تبلغ كثافة الماء القصوى 4 درجات مئوية، مما يعني أن المياه الباردة تغرق وترتفع المياه الأكثر دفئًا. تساعد هذه العملية، المعروفة باسم الحمل الحراري، على مزج المياه في البحيرات والمحيطات، مما يعد أمر مهم للحفاظ على النظم البيئية الصحية.
2. في السلسلة الغذائية: تساعد التيارات الحرارية على مزج الماء وتوزيع العناصر الغذائية في جميع أنحاء البحيرة. هذا مهم لنمو الطحالب والنباتات الأخرى، التي تعتبر طعامًا للأسماك والحيوانات المائية الأخرى.

بشكل عام، تعد كثافة الماء عاملاً مهمًا يؤثر على حركة المياه في البيئة. كما يلعب دورًا في اختلاط الماء وتوزيع الحرارة وتشكيل العواصف. كل هذه العمليات مهمة للحفاظ على النظم البيئية السليمة ومناخ الأرض.

أثر الكثافة للحفاظ على البيئة

1. المناخ: تساعد التيارات الحرارية على توزيع الحرارة من خط الاستواء إلى القطبين. يساعد هذا في تعديل درجة حرارة الأرض وإنشاء المناطق المناخية التي نعرفها اليوم.
2. الهواء: تلعب تيارات الحمل أيضًا دورًا في تكوين العواصف. عندما يرتفع الهواء الدافئ الرطب، يبرد ويتكثف ويشكل السحب. إذا أصبحت الغيوم ثقيلة جدًا ، فيمكنها إطلاق رطوبتها على شكل مطر أو ثلج. تؤثر كثافة الهواء على سلوك أنظمة الطقس، وكذلك حركة الملوثات والجسيمات الأخرى في الغلاف الجوي. وكذلك تؤثر كثافة الهواء أيضًا على كفاءة المحركات والتوربينات، وهو أمر مهم لتقليل انبعاثات غازات الاحتباس الحراري وتحسين كفاءة الطاقة.
3. التربة: تؤثر كثافة التربة على قدرتها على دعم نمو النبات وتوفير العناصر الغذائية للنباتات. يمكن للتربة شديدة الكثافة أن تمنع جذور النبات من النمو بشكل صحيح، في حين أن التربة الرخوة يمكن أن تؤدي إلى التآكل وفقدان المغذيات. تعد كثافة التربة مهمة أيضًا لفهم كيفية تحرك المياه خلالها، وهو أمر مهم لإدارة موارد المياه ومنع تآكل التربة.
4. إدارة النفايات: تعد كثافة مواد النفايات عاملاً مهمًا في إدارة النفايات. فهي تؤثر على مقدار المساحة اللازمة لتخزين ونقل النفايات، فضلاً عن تكلفة التخلص من النفايات. يمكن ضغط المواد ذات الكثافة العالية، مثل المعادن والزجاج، بسهولة أكبر من المواد منخفضة الكثافة، مثل البلاستيك والورق.

يعد فهم كثافة المواد المختلفة وتطبيقاتها أمرًا مهمًا لإدارة الموارد الطبيعية ومنع التلوث.

أبحاث الكثافة المستقبلية

هناك العديد من المجالات التي من المحتمل أن تركز عليها الأبحاث المستقبلية. مثل [5,6] :

1. المواد المتقدمة: من المرجح أن يواصل الباحثون استكشاف خصائص المواد المتقدمة، مثل المواد النانوية والمواد الخارقة، التي لها خصائص فريدة مرتبطة بالكثافة. على سبيل المثال، يدرس الباحثون كيفية تأثير كثافة هذه المواد على الموصلية الحرارية والتوصيل الكهربائي وخصائص أخرى.
2. العلوم البيئية: مع استمرار تزايد المخاوف بشأن تغير المناخ والتدهور البيئي، يركز الباحثون على تأثير الكثافة على سلوك المواد في البيئة. مثلًا، يدرس الباحثون تأثير كثافة الملوثات على حركتها في الغلاف الجوي وأنظمة المياه، أو كيفية توظيف كثافة التربة في تحسين نمو النبات وامتصاص المغذيات.
3. الطاقة: الكثافة عامل مهم في إنتاج الطاقة وتخزينها، ومن المرجح أن يواصل الباحثون استكشاف تأثير الكثافة على كفاءة أنظمة الطاقة. مثلًا، يدرس الباحثون تأثير كثافة المواد على كفاءة البطاريات وخلايا الوقود، أو تأثير كثافة الوقود على خصائص احتراقه.
4. الصحة: الكثافة خاصية مهمة في علم الأحياء والطب، ويواصل الباحثون استكشاف تأثير الكثافة على سلوك الخلايا والأنسجة. مثلًا، يدرس العلماء تأثير كثافة الخلايا السرطانية على قدرتها على الانتشار وغزو الأنسجة الأخرى، أو تأثير كثافة العظام على قوتها ومقاومتها للكسر.

كما نرى، تعد دراسة الكثافة مجالًا غنيًا ومتنوعًا للبحث مع العديد من التطبيقات المحتملة في العلوم والتكنولوجيا. ومع تطوير مواد وتقنيات جديدة، ومع استمرار تطور فهمنا للعالم الطبيعي، من المرجح أن ينجح الباحثون في استكشاف خصائص وتطبيقات الكثافة في مجموعة واسعة من السياقات.

المصادر

1. Visionlearning | Density

2. Sciencing | Importance of Density

3. chem.libretexts | Density and its applications

4. water science school | water density

5. Paul, Igboji Ola and Nnenna Okey Nwankwo. “Characteristics of soil under different land use have enormous potential for checking erosion in Abakaliki, Southeastern Nigeria.” (2017).

6. Chen, Xiang et al. “Applying Machine Learning to Rechargeable Batteries: From the Microscale to the Macroscale.” Angewandte Chemie (International ed. in English) vol. 60,46 (2021): 24354-24366.

الكثافة وتطبيقاتها هي الكلمة التي غالبًا ما تجعل عيون الناس تتلألأ. إنه مرتبط بفصول علمية مملة ومعادلات رياضية معقدة. لكن ماذا لو أخبرتك أن الكثافة هي في الواقع مفهوم ممتع جدًا؟

على سبيل المثال، هل تعلم أن الفلين أقل كثافة من الماء، لذا فهو يطفو جزئيا؟ ولكن إذا أضفت ما يكفي من الملح إلى الماء، فستزداد كثافة الماء وسيطفو الفلين كليًا فوق سطح الماء. وذلك لأن جزيئات الملح تضيف كتلة إلى الماء دون زيادة حجم الماء كثيرًا. كما ترون ، فإن الكثافة مفهوم ممتع للغاية. الأمر كله يتعلق بكمية الأشياء التي يتم تعبئتها في مساحة معينة. إليك هذا المقال لتبسيط وتوضيح مفهوم الكثافة بشكل أعمق وكذلك العوامل المؤثرة عليه وتطبيقاته في حياتنا اليومية [1].

ما هي الكثافة؟

الكثافة هي خاصية فيزيائية تصف مقدار الكتلة لكل وحدة حجم للمادة. بمعنى آخر، إنه مقياس لمدى تماسك جزيئات المادة. معادلة الكثافة هي:

الكثافة = الكتلة / الحجم

يتم التعبير عن وحدات الكثافة عادةً بالكيلوجرام لكل متر مكعب (كجم/م  مكعب) أو بالجرام لكل سنتيمتر مكعب (جم/ سم مكعب)، ولكن الوحدات الأخرى مثل رطل لكل بوصة مكعبة (رطل / بوصة)

تمثل الكثافة وتطبيقاتها جزءً مهمًا في العديد من مجالات العلوم والهندسة، بما في ذلك الكيمياء والفيزياء وعلوم المواد والجيولوجيا. يتم استخدامه لتحديد وتصنيف المواد، ولتحديد نقاء المادة، ولحساب طفو الأشياء في السوائل [1].

كيفية قياس الكثافة؟

هناك عدة طرق لقياس كثافة المادة، حسب طبيعة المادة ومستوى الدقة المطلوبة. فيما يلي بعض الطرق الشائعة [2]:

1. مبدأ أرخميدس: تتضمن هذه الطريقة قياس قوة الطفو على جسم مغمور في سائل. قوة الطفو تساوي وزن السائل الذي أزاحه الجسم ، ويمكن استخدامها لحساب كثافة الجسم. تُستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة الأجسام أو المساحيق غير المنتظمة.
2. قياسات الكتلة والحجم: تتضمن هذه الطريقة قياس كتلة وحجم مادة ما مباشرة ، ثم حساب الكثافة باستخدام صيغة الكثافة = الكتلة / الحجم. تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة السوائل والمواد الصلبة.
3. إزاحة الغاز: تتضمن هذه الطريقة قياس حجم الغاز المزاح بواسطة مادة صلبة أو سائلة عند غمره في الغاز. يمكن بعد ذلك حساب كثافة المادة باستخدام الصيغة الكثافة = الكتلة / الحجم. تستخدم هذه الطريقة بشكل شائع لقياس كثافة المواد الصلبة والسوائل غير القابلة للذوبان في الماء.
4. حيود الأشعة السينية: تتضمن هذه الطريقة قياس نمط حيود الأشعة السينية التي تمر عبر بلورة المادة. يمكن تحديد التباعد بين الذرات في البلورة من نمط الحيود ، ويمكن حساب كثافة المادة من التباعد الذري والوزن الجزيئي للمادة.
5. تتضمن هذه الطريقة قياس حجم كتلة معروفة من المادة باستخدام حاوية متخصصة تسمى.pycnometer يمكن بعد ذلك حساب كثافة المادة باستخدام العلاقة الكثافة = الكتلة / الحجم.

هذه ليست سوى عدد قليل من الطرق العديدة المتاحة لقياس كثافة مادة ما. يعتمد اختيار الطريقة على طبيعة المادة ومستوى الدقة المطلوبة والمعدات المتاحة.

ما هي العوامل التي تؤثر على الكثافة؟

يمكن أن تتأثر كثافة المادة بعوامل مختلفة مثل درجة الحرارة والضغط وتكوين المادة. على سبيل المثال، تقل كثافة الغاز مع زيادة درجة الحرارة، بينما تزداد كثافة السائل عمومًا مع انخفاض درجة الحرارة [3].

تتأثر الكثافة بعدة عوامل كاللآتي:

1. درجة الحرارة: تقل كثافة مادة ما بشكل عام مع زيادة درجة حرارتها. هذا لأنه مع ارتفاع درجة الحرارة ، تكتسب الجسيمات الموجودة في المادة طاقة حركية أكثر وتتحرك بشكل أسرع ، مما يؤدي إلى انتشارها واحتلال مساحة أكبر. نتيجة لذلك ، تصبح المادة أقل كثافة.

2. الضغط: يمكن أن تتأثر كثافة المادة أيضًا بالضغط. بشكل عام ، مع زيادة الضغط على مادة ما ، تزداد كثافتها أيضًا. وذلك لأن الجسيمات الموجودة في المادة تقترب من بعضها البعض ، مما يقلل من مقدار المسافة بينها ويزيد من كثافة المادة.

3. التركيب: يتم تحديد كثافة المادة أيضًا من خلال تكوينها. المواد المختلفة لها كثافة مختلفة لأن جزيئاتها مرتبة بشكل مختلف. على سبيل المثال ، تكون المعادن عمومًا أكثر كثافة من اللافلزات لأن ذراتها متماسكة بشكل وثيق.

4. حالة المادة: يمكن أن تختلف كثافة المادة أيضًا حسب حالة المادة. على سبيل المثال ، كثافة الغاز أقل بكثير من كثافة السائل أو المادة الصلبة لأن الجسيمات الموجودة في الغاز تكون متباعدة كثيرًا.

5. الشوائب: يمكن أن يؤثر وجود الشوائب في مادة ما على كثافتها. إذا تم خلط مادة مع مادة أخرى لها كثافة مختلفة ، فإن الخليط الناتج سيكون له كثافة في مكان ما بين الكثافتين الأصليتين.

يعد فهم العوامل التي تؤثر على الكثافة أمرًا مهمًا في العديد من مجالات العلوم والهندسة، بما في ذلك علوم المواد والكيمياء والفيزياء. من خلال التحكم في هذه العوامل، يمكن للعلماء والمهندسين معالجة كثافة مادة ما لتحقيق خصائص أو خصائص محددة.

ما أهمية الكثافة؟

تعتبر الكثافة خاصية مادية مهمة لها العديد من التطبيقات العملية في مختلف مجالات العلوم والهندسة. فيما يلي بعض الأسباب الرئيسية لأهمية الكثافة [3]:

1. تحديد وتصنيف المواد: كثافة المادة هي خاصية فريدة يمكن استخدامها لتحديد وتصنيف المواد. على سبيل المثال، يستخدم الجيولوجيون كثافة الصخور والمعادن لتحديد أنواع مختلفة من الصخور وتحديد تكوينها.

2. تحديد النقاوة: يمكن استخدام كثافة مادة لتحديد نقاوتها. إذا تم خلط مادة مع مادة أخرى لها كثافة مختلفة، فإن الخليط الناتج سيكون له كثافة في مكان ما بين الكثافتين الأصليتين. من خلال قياس كثافة الخليط، يمكن للعلماء تحديد درجة نقاء المادة.

3. حساب الطفو: كثافة المادة مهمة أيضًا لحساب طفو الأشياء في الموائع. ستطفو الأشياء الأقل كثافة من السائل الذي تغمره، بينما ستغرق الأشياء الأكثر كثافة. يستخدم هذا المبدأ في العديد من التطبيقات، مثل بناء السفن وتصميم الغواصات وتصميم أجهزة التعويم.

4. علم وهندسة المواد: تعتبر كثافة المادة عاملاً مهمًا في تحديد خواصها الميكانيكية، مثل القوة والصلابة والليونة. من خلال التحكم في كثافة المادة، يمكن للعلماء والمهندسين معالجة خصائصها لتحقيق خصائص محددة.

5. الكيمياء والفيزياء: كثافة المادة مهمة أيضًا في الكيمياء والفيزياء، حيث تُستخدم لحساب الخصائص المختلفة مثل الكتلة المولية والوزن الجزيئي والسعة الحرارية النوعية.

باختصار، من خلال فهم كثافة وتطبيقاتها وكيفية التحكم فيها، يمكن للعلماء والمهندسين تطوير مواد جديدة بخصائص وخصائص محددة، وتصميم الأجهزة والهياكل التي تم تحسينها للتطبيقات المقصودة.

ما هي تطبيقات الكثافة في الحياة اليومية؟

تلعب الكثافة وتطبيقاتها دورًا مهمًا في حياتنا اليومية، غالبًا بطرق قد لا ندركها. فيما يلي بعض الأمثلة عن كيفية تأثير الكثافة على حياتنا اليومية [3]:

1. الطبخ: الكثافة عامل مهم في الطبخ، وخاصة في الخبز. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الدقيق على كمية الدقيق اللازمة لصنع كمية معينة من العجين، وتؤثر كثافة السكر على كمية السكر اللازمة لتحلية الوصفة.

2. النقل: الكثافة عامل رئيسي في النقل، لا سيما في تصميم المركبات. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الوقود على المسافة التي يمكن للمركبة أن تقطعها على خزان الغاز، وتؤثر كثافة المواد المستخدمة في بناء السيارة على وزن السيارة وكفاءتها في استهلاك الوقود.

3. البناء: الكثافة مهمة أيضًا في البناء، حيث تؤثر على قوة ومتانة المواد. على سبيل المثال، تؤثر كثافة الخرسانة على قوتها الانضغاطية، وتؤثر كثافة الخشب على قوته ومقاومته للتعفن.

4. الصحة والطب: تستخدم الكثافة في التطبيقات الطبية المختلفة، مثل تحديد كثافة العظام لتشخيص هشاشة العظام، وقياس كثافة السوائل في الجسم لتشخيص حالات طبية معينة.

5. علم البيئة: تعتبر الكثافة مهمة في علوم البيئة حيث تستخدم لقياس كثافة ملوثات الهواء ولتحديد كثافة المياه في المسطحات المائية. تُستخدم هذه المعلومات لرصد وتنظيم مستويات التلوث ولحماية البيئة.

باختصار، تعتبر الكثافة وتطبيقاتها تؤثر على العديد من جوانب حياتنا اليومية، من الطهي والنقل إلى البناء وعلوم البيئة. من خلال فهم دور الكثافة في هذه التطبيقات، يمكننا اتخاذ قرارات مستنيرة وتطوير تقنيات جديدة محسّنة للأغراض المقصودة.

المصادر

1. Vision Learning | Density
2. Anton Paar | Density and density measurement
3. International Journal for Research in Applied Science and Engineering Technology | A Review Paper on Comparative Study of Density of Bituminous Layer by Various Methods

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة هو نوع جديد من أجهزة تخزين الطاقة الذي يحظى بالاهتمام. حيث إنها توفر عددًا من المزايا مقارنة بالمكثفات الفائقة والمكثفات التقليدية. بما في ذلك كثافة طاقة أعلى وعمر أطول ودرجة حرارة تشغيل أعلى. وهذا يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية.

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة باستخدام إلكتروليت صلب بدلاً من إلكتروليت سائل. وهذا يجعلها أكثر متانة وأمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. كما يسمح أيضًا بكثافة طاقة أعلى، حيث يمكن جعله أرق وأخف من الإلكتروليت السائل.

ما هو المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة – Solid-state Supercapacitor هو نوع من المكثف الفائق الذي يستخدم إلكتروليتًا صلبًا بدلاً من إلكتروليت سائل. هذا يجعلها أكثر متانة وأكثر أمانًا من المكثفات الفائقة التقليدية، لأنها ليست عرضة للتسرب أو الحريق. تتمتع المكثفات الفائقة ذو الحالة الصلبة أيضًا بكثافة طاقة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية، مما يجعلها مرشحًا واعدًا لمجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل المركبات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء والغرسات الطبية [1] .

ما القصة وراء أول مكثف فائق ذو الحالة الصلبة؟

تم اختراع أول المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة في عام 1991 من قبل باحثين في جامعة تكساس في أوستن. تم تصنيع الجهاز من غشاء رقيق من البوليمر الموصّل محشور بين طبقتين من رقائق معدنية، وكان قادرًا على تخزين وإطلاق الطاقة الكهربائية بسرعة وكفاءة. مهد هذا الاختراع الطريق لتطوير المكثفات الفائقة الأخرى ذات الحالة الصلبة. ومنذئذ تم استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك الإلكترونيات المحمولة، والمركبات الهجينة، وأنظمة الطاقة المتجددة.

كيف يعمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة؟

تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة عن طريق تخزين الطاقة إلكتروستاتيكيًا في طبقة كهربائية مزدوجة تتشكل عند السطح البيني بين القطب الكهربائي والإلكتروليت [1] .

فيما يلي شرح مبسط لكيفية عمل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة:

1. يتم فصل قطبي المكثف بواسطة إلكتروليت صلب.
2. عندما يتم تطبيق الجهد على المكثف، تتحرك الأيونات في الإلكتروليت نحو القطب المشحون عكسيًا.
3. تخلق حركة الأيونات مجالًا كهربائيًا يخزن الطاقة.
4. يتم تخزين هذه الشحنة في شكل مجال كهربائي، والذي يمكن تفريغه بسرعة عند الحاجة لتوفير دفعة من الطاقة.

يعتمد أداء المكثفات الفائقة على تصميم وخصائص المجمعات الحالية، والأقطاب الكهربائية، والإلكتروليتات. والتي بدورها يمكن أن تؤثر على كثافة ومخرجات الطاقة، وسلوك الشحن والتفريغ الدوري، ومعلمات الأداء الرئيسية الأخرى.

يمكن تحسين المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة حيث تلعب الموصلات الكهربائية دورًا مهمًا في أداء جهاز تخزين الطاقة. ويمكن أن يؤدي تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية إلى تباين كبير في معاملات الأداء الرئيسية. فمثلًا يمكن أن يؤدي استخدام المواد ذات البنية النانوية مع مساحة سطح محددة عالية والمسامية الهرمية إلى أداء ممتاز واستقرار طويل للنظام. وكذلك استخدام الطاقة الحرارية الشمسية لتحسين أداء المكثفات الفائقة المرنة في درجات حرارة منخفضة، وهو أمر مهم للإلكترونيات القابلة للارتداء في الهواء الطلق.

بشكل عام ، يمكن أن تؤدي هذه التحسينات إلى زيادة كثافة الطاقة، وإخراجها، ومدى استقرار المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة، مما يجعلها أكثر كفاءة وفعالية للتطبيقات المختلفة.

مزايا المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة

يتميز المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة بالعديد من المزايا مقارنة بالمكثف الفائق التقليدي، بما في ذلك [2] :

• كثافة طاقة أعلى: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة تخزين طاقة أكثر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر جاذبية للتطبيقات التي تتطلب كثافة طاقة عالية.
• عمر أطول: تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بعمر أطول من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر فعالية من حيث التكلفة للتطبيقات طويلة المدى.
• درجة حرارة تشغيل أعلى: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات حرارة أعلى من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها خيارًا أكثر تنوعًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في البلاد الحارة.
• حجم أصغر: يمكن جعل المكثف الفائق ذو الحالة الصلبة أصغر من المكثفات الفائقة التقليدية. مما يجعلها أكثر ملاءمة للاستخدام في الأجهزة المحمولة.

كيف تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بأنواع أخرى من أجهزة تخزين الطاقة من حيث الكفاءة والأداء؟

تقدم تقارن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، بما في ذلك [2,3] :

• كثافة طاقة أعلى من بطاريات أيون الليثيوم: يمكن للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفير الطاقة وامتصاصها بشكل أسرع بكثير من البطاريات. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب دفعات سريعة من الطاقة، مثل المركبات الكهربائية وأنظمة الكبح المتجددة.
• دورة حياة أطول: يمكن تدوير المكثفات الفائقة مئات الآلاف من المرات دون تدهور كبير. بينما تحتوي البطاريات عادةً على عدد محدود من دورات الشحن والتفريغ قبل الحاجة إلى استبدالها.
• معدلات شحن أسرع: يمكن شحن المكثفات الفائقة أسرع بكثير من البطاريات، الأمر الذي قد يستغرق ساعات أو حتى أيامًا لشحنها بالكامل. بينما يمكن شحن المكثفات الفائقة في غضون ثوانٍ أو دقائق. مما يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب شحنًا سريعًا، مثل الأجهزة الإلكترونية المحمولة.
• نطاق واسع لدرجة حرارة التشغيل: يمكن أن تعمل المكثفات الفائقة على نطاق واسع من درجات الحرارة، من -40 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية. بينما قد يكون أداء البطاريات محدودًا في درجات الحرارة القصوى.
• صديقة للبيئة: لا تحتوي المكثفات الفائقة على مواد كيميائية سامة أو معادن ثقيلة. مما يجعلها صديقة للبيئة أكثر من البطاريات التقليدية.

ومع ذلك، من المهم ملاحظة أن أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة يمكن أن يختلف اعتمادًا على تصميم المواد ومعالجتها وخصائص سطح الموصلات الكهربائية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للمكثفات الفائقة مما قد يؤثر على كفاءتها. أخيرًا، بينما تتمتع المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بكثافة طاقة عالية، إلا أنها تتمتع بكثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يحد من استخدامها في التطبيقات التي تتطلب سعة تخزين طاقة عالية.

بشكل عام ، توفر المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية في أنظمة تخزين الطاقة، مما يجعلها خيارًا جذابًا لمجموعة واسعة من التطبيقات.

ما هي عيوب المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة؟

في حين أن المكثفات الفائقة الحالة الصلبة تقدم مزايا عديدة مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض العيوب، بما في ذلك [4]:

• كثافة طاقة أقل: عادةً ما تكون للمكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة كثافة طاقة أقل من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تخزن طاقة أقل لكل وحدة وزن أو حجم.
• نطاق الجهد المحدود: للمكثفات الفائقة نطاق جهد محدود. مما قد يجعل من الصعب استخدامها في بعض التطبيقات التي تتطلب جهدًا أعلى.
• معدل تفريغ ذاتي أعلى: تتمتع المكثفات الفائقة بمعدل تفريغ ذاتي أعلى من البطاريات. مما يعني أنها يمكن أن تفقد شحنتها بسرعة أكبر عند عدم استخدامها.
• التكلفة: يمكن أن تكون المكثفات الفائقة أغلى من البطاريات التقليدية، مما يجعلها أقل جاذبية لبعض التطبيقات.
• توافر محدود: المكثفات الفائقة الحالة الصلبة ليست متوفرة على نطاق واسع مثل المكثفات الفائقة التقليدية.

بشكل عام، في حين أن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة توفر العديد من المزايا مقارنة بالبطاريات التقليدية، إلا أن لها أيضًا بعض القيود التي يجب مراعاتها عند اختيار نظام تخزين الطاقة لتطبيق معين. لكن على الرغم من هذه العيوب، فإن المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية واعدة لتخزين الطاقة. وهي مناسبة بشكل خاص للتطبيقات التي تتطلب معدل تفريغ طاقة عالٍ وعمرًا طويلًا، مثل السيارات الكهربائية والأجهزة القابلة للارتداء.

تطبيقات المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة لمكثفات الحالة الصلبة الفائقة:

السيارات الكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتخزين الطاقة في السيارات الكهربائية، مما قد يساعد في توسيع نطاق السيارات الكهربائية وتقليل الوقت المستغرق لإعادة شحنها.

الأجهزة القابلة للارتداء: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الأجهزة القابلة للارتداء، مثل الساعات الذكية وأجهزة تتبع اللياقة البدنية.

الغرسات الطبية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل الغرسات الطبية، مثل أجهزة تنظيم ضربات القلب ومضخات الأنسولين.

المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة هي تقنية جديدة لتخزين الطاقة. مع استمرار البحث والتطوي، يمكن للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة أن تحدث ثورة في طريقة تشغيل أجهزتنا.

ما هي بعض التطبيقات المحتملة للمكثفات الفائقة الحالة الصلبة في صناعة السيارات؟

المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لديها القدرة على استخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات في صناعة السيارات. فيما يلي بعض التطبيقات المحتملة [4] :

• المركبات الهجينة والكهربائية: يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة جنبًا إلى جنب مع البطاريات لتوفير نبضات عالية الطاقة لتسريع الكبح والتجدد، مما يمكن أن يحسن الكفاءة الإجمالية للسيارة.
• أنظمة التوقف والتشغيل: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتشغيل الأنظمة الكهربائية للمركبة أثناء أحداث توقف المحرك، مما يقلل من استهلاك الوقود والانبعاثات.
• دعم الطاقة: يمكن استخدام المكثفات الفائقة لتوفير طاقة احتياطية للأنظمة الحيوية في حالة انقطاع التيار الكهربائي، مثل الوسائد الهوائية وإضاءة الطوارئ.
• نموذج مجال التردد: يمكن استخدام المكثفات الفائقة في تطبيقات الطاقة الصناعية التي تتطلب كثافة طاقة عالية، مثل محولات الطاقة الإلكترونية.

بشكل عام، تتمتع المكثفات الفائقة الحالة الصلبة بإمكانية تحسين كفاءة وأداء الأنظمة المختلفة في صناعة السيارات.

ما هي الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة

هناك معلومات محدودة متاحة عن التأثيرات البيئية المحددة لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة. ومع ذلك، فقد بحثت بعض الدراسات في استخدام المكثفات الفائقة في سياق أجهزة تخزين الطاقة على نطاق أوسع. فيما يلي بعض الآثار البيئية المحتملة التي يجب مراعاتها [3,4] :

• مصادر المواد: يتطلب إنتاج المكثفات الفائقة استخدام مواد مختلفة، بما في ذلك المعادن والبوليمرات. يمكن أن يكون لتوريد هذه المواد آثار بيئية، مثل تدمير المصادر، وتلوث المياه، وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من التعدين والنقل.
• استهلاك الطاقة: تتطلب عملية تصنيع المكثفات الفائقة طاقة يمكن أن تسهم في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري والتأثيرات البيئية الأخرى.
• التخلص من الأجهزة بعد نهاية العمر الافتراضي: مثل جميع الأجهزة الإلكترونية، ستصل المكثفات الفائقة في النهاية إلى نهاية عمرها الإنتاجي وتحتاج إلى التخلص منها. يمكن أن يكون للتخلص من النفايات الإلكترونية آثار بيئية كبيرة، بما في ذلك تلوث التربة والمياه من المواد الكيميائية السامة وانبعاثات غازات الاحتباس الحراري من الحرق.
• أداء درجات الحرارة المنخفضة: وجدت إحدى الدراسات أنه يمكن تحسين أداء المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة في درجات الحرارة المنخفضة باستخدام الطاقة الحرارية الشمسية، مما قد يقلل من الحاجة إلى مصادر الطاقة الأخرى التي لها تأثيرات بيئية.

بشكل عام ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآثار البيئية لاستخدام المكثفات الفائقة ذات الحالة الصلبة بشكل كامل. ومع ذلك، فمن الواضح أن إنتاج هذه الأجهزة والتخلص منها يمكن أن يكون له تأثيرات بيئية، ويجب بذل الجهود لتقليل هذه الآثار من خلال المصادر المستدامة، والتصنيع الموفر للطاقة، والممارسات المسؤولة للتخلص في نهاية العمر.

لا تزال المكثفات الفائقة الحالة الصلبة في المراحل الأولى من التطوير، ولكن لديها القدرة على إحداث ثورة في صناعة تخزين الطاقة. بفضل كثافة الطاقة العالية والمتانة والسلامة، يمكن استخدام المكثفات الفائقة الحالة الصلبة لتشغيل مجموعة واسعة من الأجهزة، من السيارات الكهربائية إلى الأجهزة القابلة للارتداء.

المصادر          

1. Thermally Chargeable Solid-State Supercapacitor | Advanced Energy Materials
2. Flexible all-solid-state supercapacitors with high capacitance, long cycle life, and wide operational potential window: Recent progress and future perspectives | Journal of Energy Storage
3. A mini-review: emerging all-solid-state energy storage electrode materials for flexible devices | Nanoscale
4. Recent progress in the all-solid-state flexible supercapacitors | SmartMat

هل تساءلت يومًا عن سبب تسخين بعض المواد أسرع من غيرها؟ أو لماذا يتطلب تسخين كوب من الماء طاقة أكثر من كوب الحليب؟ الإجابة على هذه الأسئلة تتعلق بالسعة الحرارية Heat capacity، والسعة الحرارية النوعية Specific heat capacity للمواد المختلفة.

السعة الحرارية هي مقدار قدرة المادة على الاحتفاظ بالحرارة. تخيل أن لديك مادتين مختلفتين، مثل المعدن والبلاستيك. إذا وضعت المادتين في نفس القدر من ضوء الشمس، فسوف يسخن المعدن بشكل أسرع من البلاستيك. هذا لأن المعدن له سعة حرارية أعلى من البلاستيك. يمكن للمعدن الاحتفاظ بمزيد من الطاقة الحرارية دون تغيير كبير في درجة حرارته.

ما هي السعة الحرارية؟

السعة الحرارية هي مقياس لمقدار الطاقة الحرارية التي يمكن للمادة أن تمتصها دون تغيير كبير في درجة حرارتها. بمعنى آخر، السعة الحرارية هي مقياس لمدى “مقاومة الحرارة” لمادة ما. وللمواد المختلفة سعات حرارية متباينة. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء. نتيجة لذلك، يتطلب تسخين الماء طاقة أكثر مما يتطلبه تسخين الهواء [1,2] . لكن إن كانت هذه السعة الحرارية فما المقصود بالسعة الحرارية النوعية إذن؟

ما هي السعة الحرارية النوعية؟

السعة الحرارية النوعية لمادة ما هي مقياس لمقدار الحرارة المطلوبة لرفع درجة حرارة جرام واحد من المادة بمقدار درجة واحدة. ولأن المواد المختلفة تمتلك سعات حرارية متباينة، إذ يحتوي الماء على سعة حرارية محددة تبلغ 4.184 جول / جم درجة مئوية، بينما يحتوي الحديد على مقدار محدد يبلغ 0.450 جول / جم درجة مئوية. هذا يعني أن ارتفاع درجة حرارة جرام واحد من الماء بمقدار 4.184 مرة أكثر مما يتطلبه الأمر لرفع درجة حرارة جرام واحد من الحديد بدرجة واحدة.

السعة الحرارية والسعة الحرارية النوعية مفاهيم مهمة في العلوم والهندسة. ويتم استخدامهم في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الطهي وتدفئة المباني وتصميم المحركات. إليك تجربة ممتعة يمكنك القيام بها مع طفلك لمعرفة المزيد عن السعة الحرارية وعن تطبيقاتها.

تجربة صنع بالون مقاوم للنار

هل أنت مستعد لتجربة بالون سهلة للغاية؟ تستخدم تجربة البالون خدعة رائعة مع الماء لجعلها مقاومة للنار. دعنا نبدأ [3].

الخطوات

1. نفخ بالون بالهواء.
2. اشعل شمعة وضعها على طبق.
3. اجعل البالون قريبًا من اللهب قدر الإمكان حتى ينفجر.
4. املأ بالونًا آخر بقليل من الماء من الصنبور ثم انفخه بالهواء ليصبح في حجم البالون الأول.
5. اخفض البالون المملوء بالماء والهواء باتجاه اللهب وانظر ماذا سيحدث!
6. أزل البالون من اللهب ولاحظ البقعة المحترقة من البالون، لكنها لم تنفجر! لماذا؟

الملاحظات

تأكد من أن طفلك قد لاحظ انفجر البالون الأول عند وضعه بالقرب من مصدر حرارة، وأنه يتساءل من عدم انفجار البالون الآخر الذي يحتوي الماء قبل أن تكشف عن السبب، فعملية التساؤل ضرورية للتعلم.

اعتمادًا على كمية الماء الموجودة في البالون الثاني، يسخن الماء بدرجة كافية (عادةً في غضون 30 ثانية إلى دقيقة واحدة)، وسينفجر في النهاية كالبالون الأول، لكنه انتظر كثيرًا قبل الانفجار، أليس كذلك؟

يمكنك إخراج البالون من اللهب قبل الانفجار والنظر إلى المكان الذي تعرض للنار. قد تشعر بالدهشة لأنه على الرغم من أن البالون الخاص بك يبدو محترقًا من اللهب في ذلك المكان الملامس للنار، إلا أنه لم ينفجر بالماء في كل مكان. في الواقع، إذا نظرت عن كثب إلى الجزء السفلي من البالون حيث لامس اللهب اللاتكس ، فستكون هناك بقعة سوداء. هذه البقعة السوداء ليست البالون الذي يحترق في الواقع ، لكنه رواسب الكربون التي تُركت على البالون بينما حرق اللهب الأكسجين وأطلق ثاني أكسيد الكربون. يمكنك بالفعل انتزاع منشفة مبللة أو قطعة قماش ومسح برفق السخام الكربوني الأسود من البالون، ليبدو وكأنه جديد.

لماذا لا ينفجر بالون الماء بنفس سرعة البالون الهوائي؟

السر وراء تجربة البالون والشمعة موجود حقًا في الماء. حيث يتمتع الماء بسعة حرارية أعلى بكثير من الهواء، مما يعني أنه يستهلك طاقة لتسخين المياه أكثر بكثير مما يتطلبه تسخين الهواء. فالماء قادر على امتصاص الكثير من الحرارة من اللهب وسحبها بعيدًا عن اللاتكس، مما يمنع مادة اللاتكس الخاص بالبالون من الذوبان، ولا يسمح للبالون بالانفجار لوقت أطول. في النهاية، سيصبح الماء ساخنًا بدرجة كافية بحيث لا يحافظ على مادة اللاتكس باردة بدرجة كافية وسينفجر البالون، لكن الأمر سيستغرق وقتًا أطول بكثير عن البالون الذي كان به هواء فقط.

ما العوامل المؤثرة على السعة الحرارية؟

السعة الحرارية خاصية مادية، تعتمد على عدة عوامل كالآتي:

1. الكتلة: تتناسب السعة لمادة ما طرديا مع كتلتها. مما يعني أن الكتلة الأكبر ستتطلب مزيدًا من الحرارة لرفع درجة حرارتها مقارنةً بالحرارة التي تتطلبها كتلة أصغر لترتفع حرارتها بنفس المقدار.
2. حالة المادة: يمكن أن تتغير السعة الحرارية للمادة اعتمادًا على حالتها. على سبيل المثال، للماء مقدار أعلى كسائل منه كغاز. وذلك لأن الجزيئات الموجودة في السائل تكون أقرب من بعضها البعض ولديها قدرة أكبر لامتصاص الحرارة من الجزيئات الموجودة في الغاز.
3. القوى بين الجزيئات: يمكن أيضًا أن تتأثر السعة الحرارية لمادة ما بقوة الربط بين جزيئات المادة. على سبيل المثال، للماء سعة حرارية أعلى من الكحول لأن جزيئات الماء لها قوة ربط أقوى بين الجزيئات من الكحول.

• 6 أشياء غريبة تحدث في الفضاء
• اختلاف أرسطو وديكارت في تفسير الظواهر
• الاحتمالات في ميكانيكا الكم

ما هي التطبيقات اليومية للسعة الحرارية في الحياة الواقعية؟

نتيجة لأهمية هذه الخاصية في علوم المواد، تُستخدم لدراسة مدى ملائمة واختيار المواد المختلفة للعديد من التطبيقات في الحياة الواقعية اليومية مثل الطهي وتدفئة المباني. كذلك على المستوى الصناعي تستخدم الخاصية في تصميم المحركات وتشغيلها في السكك الحديدية [4].

تطبيقات في حياتنا اليومية

1. الطهي: تُستخدم هذه الخاصية في الطهي لتحديد المدة التي يستغرقها طهي الطعام. على سبيل المثال، يتمتع الماء بسعة حرارية عالية، لذلك يستغرق تسخينه وقتًا أطول من الزيت. نتيجة لذلك يتم طهي الطعام بشكل أسرع عند طهيه بالزيت بدلاً من الماء.

2. المواد المستخدمة في صنع أواني الطهي: أواني طهي الخضروات وما إلى ذلك مصنوعة من مواد منخفضة الحرارة ذات قاع مصقول. لذلك، تسخن بشكل أسرع مثل النحاس والألمنيوم والجرانيت وما إلى ذلك.

3. مقابض الأواني في المنزل مصنوعة من مواد توفر العزل الحراري. وتؤثر الحرارة النوعية أيضًا على قدرة العزل والموصلية.

4. استخدام مواد حرارية عالية الجودة كعوازل: الخشب على سبيل المثال لديه حرارة نوعية عالية. خلال فصل الصيف، تحافظ البيوت الخشبية على برودة الداخل. ويمكن للبناة اختيار مواد البناء المناسبة بناءً على الموقع والارتفاع. مما يتيح بناء منازل أكثر دفئًا أو برودة.

تطبيقات في الصناعة

1. تصميم أنظمة الحماية من الحرائق: تُستخدم السعة الحرارية في تصميم أنظمة الحماية من الحرائق لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها نظام الحماية من الحرائق دون ارتفاع درجة الحرارة. لذلك تُستخدم المواد عالية السعة الحرارية، مثل الماء كي تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية الأشخاص والممتلكات من الحرائق.
2. تصميم المحركات: تستخدم السعة الحرارية في تصميم المحركات لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن أن يمتصها المحرك دون ارتفاع درجة حرارته. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل المعادن، أن تمتص الطاقة الحرارية دون ارتفاع درجة الحرارة، مما يساعد على حماية المحركات من التلف.
3. تصميم العزل الحراري: تستخدم السعة الحرارية في تصميم العزل الحراري لتحديد مقدار الحرارة التي يمكن نقلها عبر المادة. على سبيل المثال، يمكن للمواد ذات السعات الحرارية العالية، مثل الرغوة إبطاء نقل الحرارة، مما يساعد على إبقاء الأشياء دافئة أو باردة.
4. تشغيل محركات السكك الحديدية أو الدوارات في مولدات التيار المتردد: يستخدم البخار لنقل الكثير من الطاقة الحرارية عند ضغوط عالية  للبخار حرارة نوعية عالية (أكثر من الماء)

المصادر

1. Heat capacity | Britannica
2. Heat capacity and calorimetry | Khan Academy
3. Heating water in a experiment | Physics Demo
4. Applications of Specific Heat Capacity | Heat | myhometuition Youtube Channel

للكهرباء استخدامات عديدة في حياتنا اليومية. فقد جعلت الكهرباء حياتنا أسهل حين وظّفناها واخترعنا الأجهزة الكهربائية المختلفة في المنزل مثل المكنسة الكهربية، التلفاز، الراديو، وغيرهم من الأجهزة. كذلك أصبح بإمكاننا تخزين الطاقة وتحويلها من صور مختلفة لطاقة كهربائية عن طريق البطاريات والمكثفات. بذلك تداخلت علوم الكيمياء والفيزياء وتوصلنا لعلم الكيمياء الكهربائية والكيمياء الكهروتحليلية. لكن هل تسائلت يومًا عما إذا كان بإمكاننا الاستفادة من الكهرباء في علوم الأحياء والعقاقير بطريقة سلمية لعلاج مرض ما مثل التعرق المفرط؟ سوف نتناول في هذا المقال تقنية الإرحال الأيوني المُستخدمة كوسيلة علاج حديثة فعالة.

الإرحال الأيوني – Iontophoresis :

يعتبر الإرحال الأيوني هو إجراء يتم فيه تمرير تيار كهربائي عبر الجلد حيث يتم نقعه في ماء الصنبور للسماح للجسيمات المتأينة أو المشحونة بعبور حاجز الجلد الطبيعي. بذلك تعتبر هذه الطريقة بمثابة تقنية غير جراحية لتوصيل الأدوية محليًا عبر الجلد، وتعتمد على نقل الجزيئات المشحونة باستخدام تيار كهربائي منخفض الكثافة يتم التحكم به عن طريق جهاز الإرحال الأيويي. فإنه يعزز وصول الأدوية والجزيئات الكبيرة إلى الجلد ويقلل التعرق في جميع أنحاء الجلد. كما إنه آمن وفعال وغير مكلف ومفيد للغاية.  [1]

آلية عمل الإرحال الأيوني:

المبدأ الأساسي هو وضع العلاج الأيوني تحت القطب الكهربي بنفس الشحنة. حيث يتم وضع أيون سالب تحت القطب السالب. وحينئذ يُعرف هذا القطب بعد ذلك باسم “القطب النشط“. يعتمد الإرحال الأيوني على التنافر الكهربي. فعند وضع الأدوية سالبة الشحنة على القطب السالب تتنافر هذه الأيونات عن القطب بمجرد تمرير التيار وتتجه لاختراق الجلد. من ثم يتم تمرير تيار مستمر ودفع الأيونات الكهربائية إلى المريض. وبالمثل، يتم إدخال الأدوية موجبة الشحتة عبر الجلد عن طريق وضعها تحت القطب الموجب. 

مما سبق نستنج أن العقاقير المُستخدمة في تقنية الإرحال الأيوني يجب أن تكون متأينة (موجبة أو سالبة الشحنة). وكذلك يجب وضع العقار تحت القطب المشابه له في الشحنة ويُسمى حينها “القطب النشط”. بينما يكون القطب الآخر المعاكس في الشحنة معروفًا باسم “القطب المشتت”  [2].

كيف تطورت تقنية الإرحال الأيوني بتطور التكنولوجيا؟

يرجع الاقتراح الأول لاستخدام التيار الكهربائي في توصيل الدواء إلى منتصف القرن الثامن عشر. بعد ذلك تم إحراز تقدم كبير في القرن التاسع عشر. تمت تجربة استخدام أيونات المعادن وكذلك القلويات في ذلك الوقت. حتى أوائل القرن العشرين، كان توصيل الأدوية يُعرف باسم “الإرحال المهبطي”. لكن حديثًا يتحدث الباحثون عن “توصيل الأدوية عبر الجلد بمساعدة كهربائية”. لم يتم تبني هذه التقنية على نطاق واسع حتى الآن ولكن ثبت دائمًا أنها مفيدة إلى حد ما في حل مشاكل توصيل الدواء.

منذ اثنين وعشرين عامًا، تم تقديم أول نظام لتوصيل الأدوية عبر الجلد في الولايات المتحدة، مما حقق طفرة تاريخية واعدًا بإمكانية توصيل مركبات جديدة بطريقة آمنة ومريحة من خلال الجلد. ومع ذلك، خلال العقدين الماضيين، كان النجاح التجاري للتسليم عبر الجلد بطيئًا في التطور. ولكن مع انتقال مجموعة من المنتجات والتقنيات الجديدة نحو السوق ، يبدو أن توصيل الأدوية عبر الجلد أصبح متاحًا وفعالًا.

استخدمت أول رقعة عبر الجلد يتم تسويقها تجاريًا في أمريكا لإيصال الدواء يسمح للدواء بالانتشار عبر الأدمة اللاوعائية إلى الأدمة العميقة، مما يسمح بالتأثير الموضعي أو الاختراق إلى الشعيرات الدموية لإحداث تأثير نظامي. فقد اعتمد هذا النهج على خصائص الدواء لتسهيل النقل عبر الجلد باستخدام تدرج تركيز بسيط كقوة دافعة. حيث أن هناك عدد قليل من الأدوية المتاحة مع الخصائص الفيزيائية والكيميائية المناسبة لتكون مرشحة جيدة للانتقال عبر الجلد. لكن التقدم في البحث أدى إلى فهم أفضل لفسيولوجيا الجلد ومزيد من الإلمام بخصائص نقل الدواء [2].

كيف يُستخدم الإرحال الأيوني لعلاج فرط التعرق؟

يجلس المريض بكلتا يديه أو قدميه، أو يد واحدة وقدم واحدة، مغمورة في صواني ضحلة مملوءة بماء الصنبور لفترة قصيرة من الزمن مضافًا إليه بعض المواد العلاجية الأيونية. سوف يرسل الجهاز تيارًا كهربائيًا صغيرًا عبر الماء. أولًا يجب تكرار الإجراء ثلاث مرات في الأسبوع حتى يتم تحقيق النتائج المرجوة. بمجرد الوصول إلى الجفاف أو النتيجة المرضية، يتم عادة تزويد المرضى بالعلاج مرة واحدة في الأسبوع. سوف يستغرق العلاج حوالي 15 إلى 40 دقيقة حسب الجهاز. بعض الحالات يجب أن تتحسن لأشهر بعد علاج واحد وبعض الحالات تتطلب تكرار العلاج في أقل من أربعة إلى ستة أسابيع [3].

ما هي مميزات الإرحال الأيوني؟

1.      عند مقارنتها بالحقن:

• ألم أقل ولا غزو.
• يقلل من حوادث الإبرة.
• يسمح بتوصيل الدواء عن طريق ملامسة الجلد فقط.
• يمكن استخدامها خارج المستشفى

2.      عند مقارنتها بالحبوب

• يقلل الوقت المحدد.
• التخفيف من الآثار الثانوية.
• كما أن في العلاج بالحبوب، من الممكن أن تفقد الأدوية فعاليتها في الجهاز الهضمي.

3.      عند المقارنة باللاصقات الطبية

• تقصير الوقت المحدد.
• يمكن توصيل الأدوية بشكل كمي.
• يقلل من كمية الدواء المتبقية.

هكذا ثبت أن العديد من العوامل تؤثر على نتائج الإرحال الأيوني. وتشمل هذه الخصائص الفيزيائية والكيميائية للمركب (الحجم الجزيئي ، الشحنة ، التركيز) ، تركيب الدواء (أنواع المركبات ، المخزن المؤقت ، الأس الهيدروجيني ، اللزوجة ، وجود أيونات أخرى) ، المعدات المستخدمة (النطاق الحالي المتاح ، التيار الثابت مقابل التيار النبضي ، نوع القطب الكهربائي)، والتغيرات البيولوجية (موقع الجلد ، وتدفق الدم الإقليمي ، والعمر ، والجنس)، ودرجة حرارة الجلد ومدة الإرحال الأيوني. فبالرغم من تقدم العلوم والتكنولوجيا، ما زالت تقنية الإرحال الأيوني محل دراسة ويسعى العلماء حثيثًا لتطويرها لما لها من مميزات مقارنة بالطرق العلاجية الأخرى [2].

تتوفر اللاصقات التقليدية عبر الجلد منذ أكثر من 20 عامًا لكن مع هذه التقنيات الجديدة، سيزداد عدد وتعقيد أنظمة توصيل الأدوية عبر الجلد في المستقبل القريب. سيكون الصيادلة الذين أصبحوا على دراية بهذه التقنيات أكثر قدرة على معالجة أسئلة المرضى ومخاوفهم.

المصادر:

1. Basics of Iontophoresis [+ Example Calculations] | Catalyst University

2. Transdermal Delivery by Iontophoresis | Indian J Pharm Sci

3. Iontophoresis | physio-pedia