طوّر باحثون، بقيادة البروفيسور تشو يانغ في جامعة جنوب شرق الصين، مادة مركبة من الأسمنت والهيدروجيل، مستوحاة من التركيب الطبقي في سيقان النباتات، قادرة على توليد الكهرباء وتخزينها.
حقق هذا المركب معامل سيبك قدره −40.5 مللي فولت/كلفن، ومعامل جدارة (ZT) يبلغ 6.6×10⁻²، متفوقًا على جميع المواد الأسمنتية الحرارية الكهربائية المعروفة بنحو عشرة وستة أضعاف على التوالي.
في مؤتمر «سين بيو بيتا» لهذا العام، الذي يحمل عنوان «التغلب على انبعاثات الكربون من صناعة الخرسانة»، ستُعقد جلسة لمناقشة التحديات المستمرة في تقليل انبعاثات الخرسانة. وستسلط المناقشة الضوء على كيفية مساهمة المواد الحيوية الهندسية، مثل المركب الجديد من الأسمنت والهيدروجيل، في دفع عجلة البناء المستدام.
معالجة قيود الأسمنت باستخدام طبقات الهيدروجيل
يتميّز الأسمنت بقدرة طبيعية على توليد الكهرباء عن طريق ما يُعرف باسم «التأثير الحراري الكهربائي الأيوني»، لكن هذا التأثير ضعيف للغاية بسبب بطء حركة الأيونات داخل مصفوفة الأسمنت الكثيفة.
قال الباحثون: «يتميّز الأسمنت بخصائص حرارية كهربائية أيونية طبيعية، نتيجة التفاوت في معدلات الانتشار بين الكاتيونات والأنيونات داخل محلول الأسمنت، الناجم عن اختلافات في تفاعلاتها مع جدران المسام. ومع ذلك، تعيق مصفوفة الأسمنت الكثيفة النقل السريع للأيونات ذات معدلات الانتشار العالية، ما يحدّ من فرق الحركة بين الأيونات ويقيد زيادة معامل سيبك».
لحل هذه المشكلة، صمّم الفريق بنية متعددة الطبقات تتناوب بين الأسمنت وهيدروجيل بولي فينيل الكحول (PVA)، إذ توفر طبقات الهيدروجيل مسارات سريعة لأيونات الهيدروكسيد (OH⁻)، بينما تتفاعل الواجهات بقوة مع أيونات الكالسيوم (Ca²⁺) وبضعف مع الهيدروكسيد (OH⁻)، مما يُحسّن من الفارق في حركة الأيونات ويُعزز التأثير الحراري الكهربائي.
هياكل ذكية بمصادر طاقة مدمجة
يتميّز هذا المركب بخصائص ميكانيكية قوية وقدرة على تخزين الطاقة، ما يتيح استخدامه في بناء الطرق والجسور والمباني الذكية التي يمكنها تشغيل المستشعرات والأنظمة اللاسلكية دون الحاجة إلى مصادر طاقة خارجية.
وأوضح الباحثون أن بنية مركب الأسمنت والهيدروجيل (CPC) متعددة الطبقات تخلق العديد من الواجهات، ما يوفر الكثير من مواقع التفاعل التي تُعزز دور الأيونات الأسمنتية في تحسين الأداء الكهروحراري.
وأضافوا: «قد تمهد البنية المستوحاة بيولوجيًا وآلية التثبيت الانتقائي البيني، الطريق لتصميم مواد كهروحرارية أيونية عالية الأداء وتصنيعها».
قد يغيّر هذا الابتكار مستقبل البناء، إذ تمثل هذه التقنية خطوة مهمة نحو إنشاء بنية تحتية مستدامة وذكية.
اقرأ أيضًا:
الإسمنت المُكهرب: ثورة تقنية قد تحول أساسات المباني والطرق إلى بطاريات عملاقة
كيف تصمد الأبنية المقاومة للزلازل؟
ترجمة: لور عماد خليل
تدقيق: يامن صالح
مراجعة: باسل حميدي
