وجد العلماء طريقة لحجب الحرارة دون حجب المشاهدات

يمكن لمادة غير مرئية تقريبًا مصنوعة في الغالب من الهواء أن تعيد تعريف كيفية إيقاف النوافذ للحرارة وتوفير الطاقة.

ابتكر الفيزيائيون في جامعة كولورادو بولدر نوعًا جديدًا من عزل النوافذ يمكنه تحسين كفاءة الطاقة بشكل كبير في المباني حول العالم، وهو يشبه إلى حد كبير نسخة متطورة من Bubble Wrap.

ويمكن إنتاج هذه المادة، المعروفة باسم عازل الحرارة Mesoporous Optically Clear Heat Insulator، أو MOCHI، على شكل ألواح سميكة أو صفائح رقيقة مصممة للصق داخل النوافذ. في هذه المرحلة، يتم تصنيع MOCHI فقط في المختبرات وليس متاحًا للجمهور بعد. ومع ذلك، يقول الباحثون إنها متينة وشفافة تمامًا تقريبًا.

يسمح هذا الوضوح بمرور الضوء دون تغيير الرؤية بشكل ملحوظ، وهي ميزة كبيرة مقارنة بالعديد من خيارات العزل الموجودة.

وقال إيفان سماليوخ، كبير مؤلفي الدراسة وأستاذ الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر: “لمنع التبادل الحراري، يمكنك وضع الكثير من المواد العازلة في جدرانك، ولكن يجب أن تكون النوافذ شفافة”. “إن العثور على عوازل شفافة يمثل تحديًا حقيقيًا.”

نشر سماليوخ وزملاؤه النتائج التي توصلوا إليها في علوم في 11 ديسمبر.

لماذا يمثل Windows تحديًا كبيرًا للطاقة

وتستخدم المباني بكافة أحجامها، من منازل الأسرة الواحدة إلى أبراج المكاتب الضخمة، ما يقرب من 40% من الطاقة المنتجة في جميع أنحاء العالم. يتم فقدان جزء كبير من هذه الطاقة عندما تتسرب الحرارة عبر النوافذ أثناء الطقس البارد أو تدخل المباني أثناء الظروف الحارة.

قام الباحثون بتطوير MOCHI بهدف تقليل هذا النقل المستمر للحرارة.

يعتمد MOCHI على هلام السيليكون ذو البنية الداخلية الفريدة. يوجد داخل الجل شبكة كثيفة من المسام المجهرية التي هي أضيق بكثير من عرض شعرة الإنسان. تعتبر هذه المساحات المملوءة بالهواء فعالة جدًا في إيقاف الحرارة لدرجة أن لوح MOCHI الذي يبلغ سمكه 5 ملم فقط يمكن أن يسمح لأي شخص بحمل اللهب ضده دون أن يحترق.

وقال سماليوخ، زميل معهد الطاقة المتجددة والمستدامة (RASEI) في جامعة كولورادو بولدر: “بغض النظر عن درجات الحرارة في الخارج، نريد أن يكون الناس قادرين على الحصول على درجات حرارة مريحة في الداخل دون الحاجة إلى إهدار الطاقة”.

سحر الفقاعات والتحكم المجهري في الهواء

وأوضح سماليوخ أن أداء MOCHI يعتمد على تشكيل وترتيب جيوبه الهوائية الصغيرة بعناية.

تشترك المادة الجديدة في بعض أوجه التشابه مع الإيروجيل، والتي تستخدم على نطاق واسع للعزل اليوم. (ناسا يستخدم aerogels داخل المريخ روفرز للحفاظ على دفء الإلكترونيات). تحتوي الهلاميات الهوائية أيضًا على مسام مملوءة بالهواء، ولكن تلك المسام موزعة بشكل عشوائي وتميل إلى تشتيت الضوء. ونتيجة لذلك، غالبًا ما تبدو الهلاميات الهوائية غائمة وتوصف أحيانًا بأنها “دخان متجمد”.

وبدلاً من اتباع هذا النهج، شرع فريق البحث في تصميم مادة تجمع بين العزل القوي والوضوح البصري.

لإنشاء MOCHI، يضيف العلماء جزيئات الفاعل بالسطح إلى محلول سائل. تتجمع هذه الجزيئات بشكل طبيعي في هياكل رفيعة تشبه الخيوط، تشبه الطريقة التي ينفصل بها الزيت والخل عند مزجهما. ثم تلتصق جزيئات السيليكون الموجودة في المحلول بسطح تلك الخيوط.

وفي خطوات لاحقة، يقوم الباحثون بإزالة الهياكل القائمة على المنظفات واستبدالها بالهواء. ما تبقى هو إطار من السيليكون يحيط بنظام معقد من القنوات الصغيرة للغاية والمملوءة بالهواء. ويشبه سماليوخ هذا الترتيب المعقد بـ “كابوس السباك”.

بشكل عام، يمثل الهواء أكثر من 90% من إجمالي حجم الهواء في MOCHI.

كيف يبطئ MOCHI تدفق الحرارة

تنتقل الحرارة عبر الغازات بطريقة تشبه لعبة البلياردو. عندما تكتسب جزيئات الغاز الطاقة، فإنها تتصادم مع بعضها البعض وتنقل الحرارة من خلال تلك التأثيرات.

ومع ذلك، داخل MOCHI، المسام صغيرة جدًا بحيث لا يمكن لجزيئات الغاز أن تتصادم بحرية. وبدلا من ذلك، فإنها تضرب جدران المسام بشكل متكرر، مما يحد بشكل كبير من كمية الحرارة التي يمكن أن تمر عبر المادة.

وقال سماليوخ: “ليس لدى الجزيئات فرصة للتصادم بحرية مع بعضها البعض وتبادل الطاقة”. “بدلاً من ذلك، فإنها تصطدم بجدران المسام.”

على الرغم من قوتها العازلة، إلا أن MOCHI يعكس حوالي 0.2% فقط من الضوء الوارد، مما يسمح بمرور كل الضوء المرئي تقريبًا.

التطبيقات المستقبلية والإمكانات التجارية

ويعتقد فريق البحث أن هذه المادة يمكن استخدامها في مجموعة واسعة من التقنيات غير النوافذ. أحد الاحتمالات هو إنشاء نظام يلتقط الحرارة من ضوء الشمس ويحولها إلى طاقة مستدامة وبأسعار معقولة.

وقال سماليوخ: “حتى عندما يكون اليوم غائمًا إلى حد ما، لا يزال بإمكانك تسخير الكثير من الطاقة ومن ثم استخدامها لتسخين المياه وتسخين المبنى الداخلي الخاص بك”.

ومن غير المتوقع أن يصل MOCHI إلى السوق في أي وقت قريب. يتطلب إنتاج المادة حاليًا عملية معملية بطيئة وكثيفة العمالة. ومع ذلك، فإن سماليوخ متفائل بإمكانية تبسيط طرق التصنيع بمرور الوقت. المواد المستخدمة لإنشاء MOCHI غير مكلفة نسبيًا، مما يدعم إمكانية تسويقها في المستقبل.

في الوقت الحالي، لا تزال التوقعات المستقبلية لـ MOCHI واعدة، تمامًا مثل الرؤية الواضحة من خلال نافذة معالجة بهذه المادة العازلة المبتكرة.

المرجع: “عوازل حرارية واضحة بصريًا من أجل أغلفة المباني المستدامة” بقلم أميت بهاردواج، بليز فلوري، بوهدان سينيوك، إلدو أبراهام، جان بارت تن هوف، تيو لي، فلاديسلاف تشيرباك، وإيفان آي. سماليوخ، 11 ديسمبر 2025، علوم.
دوى: 10.1126/science.adx5568

من بين المؤلفين المشاركين في الدراسة الجديدة أميت بهاردواج، وبليز فلوري، وإلدو أبراهام، وتايو لي، باحثون ما بعد الدكتوراه في قسم الفيزياء في جامعة كولورادو بولدر. بوهدان سينيوك، وجان بارت تن هوف، وفلاديسلاف تشيرباك، باحثون سابقون في مرحلة ما بعد الدكتوراه في جامعة كولورادو بولدر، عملوا أيضًا كمؤلفين مشاركين.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.