مستشعر فوق صوتي قائم على مادة MXene يكشف موجات الصدمة فوق الصوتية بشكل أسرع

ابتكر باحثون في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا مستشعرًا فوق صوتيًا يرصد الموجات الصدمية أسرع بعشر مرات تقريبًا من معظم الأجهزة الحالية. ومن المتوقع أن يدعم هذا المستشعر الجديد، الذي يستخدم موادًا قائمة على مادة MXene، تطوير طائرات أسرع من الصوت أكثر تطورًا، بالإضافة إلى تقنيات أخرى عالية السرعة تُستخدم في صناعات الطيران والطاقة.

بحسب المكتب الإعلامي للمعهد، يُظهر الجهاز زمن استجابة يبلغ 33 ميكروثانية، مقارنةً بحوالي 270 ميكروثانية للعديد من النماذج التجارية. وتُعدّ هذه الاستجابة الأسرع بالغة الأهمية عند قياس العمليات الفيزيائية الشديدة الناتجة عن موجات الصدمة فوق الصوتية، حيث ترتفع درجة الحرارة والضغط بشكل حاد خلال فترة وجيزة للغاية.

اعتمد فريق البحث في عمله على مركبات MXene، وهي فئة حديثة نسبياً من المواد ثنائية الأبعاد. تتكون هذه المواد من طبقات من ذرات المعادن الانتقالية المرتبطة بالكربون، وقد تحتوي أيضاً على النيتروجين أو الفلور أو الأكسجين. تسمح أغشية MXene بمرور الضوء مع احتفاظها بخصائص شبيهة بالمعادن، مما يجعلها مفيدة في العديد من المجالات العلمية والهندسية.

اكتشف علماء روس أن مركبات MXenes يمكن استخدامها كمادة مضافة في مركبات فلوريد البولي فينيليدين. يجمع هذا النهج بين مرونة البوليمر ومقاومة الحرارة العالية التي عادةً ما ترتبط بالسيراميك. تُعدّ هذه المواد المركبة مهمة لأجهزة الاستشعار فوق الصوتية، لأن تلامسها مع الموجات فوق الصوتية القوية يؤدي إلى ارتفاع سريع في درجة الحرارة والضغط الداخليين، مما قد يُلحق الضرر بالهياكل الأضعف.

استنادًا إلى هذه النتائج، أنتج الفريق أغشية مركبة رقيقة للغاية، لا يتجاوز سمك كل منها 90 ميكرومترًا. وعلى الرغم من صغر حجمها، تحافظ هذه الأغشية على أدائها عند درجات حرارة تصل إلى 350 درجة مئوية. وتساعد هذه القدرة على الثبات تحت درجات الحرارة العالية المستشعر على مواصلة العمل بكفاءة أثناء تسجيل الصدمات فوق الصوتية المتكررة خلال التجارب الصعبة أو الاستخدام العملي.

قال الباحث خمار زمان خان: "كان تطوير مستشعر قادر على تحمل الصدمات فوق الصوتية المتكررة دون فقدان حساسيته مهمة معقدة نظرًا للتقلبات الشديدة في درجات الحرارة. ومع ذلك، فإن دمج مركبات MXene في البنية الهيكلية اللازمة مكّننا من تحقيق ذلك. ونتيجة لذلك، ابتكرنا مستشعرًا يتحمل هذه الظروف القاسية ويستجيب لها بسرعة أكبر بكثير من البدائل المتوفرة تجاريًا."

قام الفريق بعد ذلك بتركيب مجسات مصنوعة من أغشية مُحسَّنة بتقنية MXene في أنبوب صدمة فوق صوتي. وأشارت القياسات التجريبية إلى أن هذه الأجهزة تستجيب أسرع بعشر مرات تقريبًا من المجسات التجارية القياسية. وقد لفت تحسن زمن الاستجابة وتحمل الحرارة العالي انتباه شركات الطيران والطاقة الروسية، التي أبدت اهتمامًا باستخدام هذه التقنية في تطبيقات مستقبلية عالية السرعة ودرجة الحرارة.

يُظهر هذا المشروع كيف يمكن لمواد MXene تحسين تصميم أجهزة الاستشعار فوق الصوتية من خلال الجمع بين الأغشية الخفيفة والمرنة ذات المقاومة العالية للحرارة والاستجابة السريعة. ومع اهتمام شركات الطيران والطاقة الروسية الرائدة بهذا المشروع، فمن المرجح أن يُسهم العمل الذي يجريه معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا في توجيه المزيد من الأبحاث حول أجهزة استشعار الطائرات الأسرع من الصوت وغيرها من الأنظمة المعرضة لموجات الصدمة فوق الصوتية القوية.

With inputs from WAM