استاذة بالجامعة الامريكية تبحث عن طريقة جديدة لتدعيم الألومنيوم باستخدام أنابيب الكربون النانوية

تقوم آمال عيسوي، أستاذ الهندسة الميكانيكية بالجامعة الأمريكية بالقاهرة، بأبحاث للوصول إلى طريقة جديدة لتدعيم الألومنيوم مع الاحتفاظ بخفة وزنه وذلك من خلال استخدام أنابيب الكربون النانوية. تقول عيسوي "أبحث عن طريقة لإنتاج الألومنيوم المدعم بأنابيب الكربون النانوية عن طريق بعض التقنيات التي تستخدم المواد التقليدية المنخفضة التكلفة."

تقول عيسوي "إنه المزج الأمثل لأنه حينما نحاول تصنيع شيء مثل الطائرة أو السيارة، سنحتاج إلى استخدام مادة قوية للغاية، وفي الوقت نفسه، يجب أن تكون خفيفة الوزن كي لا تكون مهدرة للوقود."

إذا نظرنا إلى الطائرات، على سبيل المثال، سنجد أنها تحرق كميات هائلة من الوقود بسبب المواد المستخدمة في صناعتها (تحرق الطائرة البوينج 747 جالوناً واحداً من الوقود في الثانية تقريباً). فمن خلال استخدام أنابيب الكربون النانوية مع معدن مثل الألومنيوم، يمكن أن تصبح الطائرات، بخلاف صلابتها وقوتها، أخف أيضاً.

حينما نعقد مقارنة بين الألومنيوم والفولاذ، نجد أن الألومنيوم يتميز بخفة الوزن، إلا أنه ليس بنفس صلابة الفولاذ. بالإضافة إلى ذلك، ترتفع تكلفة الألومنيوم بنحو ثلاثة أو أربعة مرات عن الفولاذ لأنه يتم تقويته باستخدام معادن نادرة وباهظة الثمن من خلال عملية تسمى بسبك المعادن. إن هذه الأسطوانات النانوية الحجم والمكونة من ذرات الكربون المترابطة، والتي تبدو وكأنها أسياج أسطوانية ودقيقة من الأسلاك المتشابكة، ستحدث ثورة هائلة في عالم المواد الهندسية. تقول عيسوي، "تعتبر أنابيب الكربون النانوية أكثر صلابة وقوة من الفولاذ، بالإضافة إلى كونها أخف بنحو ثلاثة أو خمسة مرات، كما إن تكلفة هذه المواد النانوية الحجم تنخفض أكثر بمرور الوقت."

فبعد إنتاج أنابيب الكربون النانوية لأول مرة في التسعينيات، انخفض سعرها من 1,500 دولار أمريكي للجرام الواحد في عام 2000 إلى حوالي 35 – 50 دولار أمريكي الآن وذلك مقابل الحصول على أجود الأنواع من هذه الأنابيب، ويمكن أن ينخفض سعرها إلى 400 دولار أمريكي للكيلوجرام الواحد للأنابيب المنخفضة الجودة. بالإضافة إلى ذلك، فقد أصبحت التقنيات المستخدمة في صناعة أنابيب الكربون النانوية معروفة بشكل أكبر خلال الأعوام القليلة الماضية وفقاً لعيسوي. وتضيف "في العام الدراسي الماضي، نجحت مجموعة من طلاب الهندسة الميكانيكية في السنة النهائية بالجامعة الأمريكية بالقاهرة في إنتاج أنابيب نانوية كربونية عالية الجودة وذلك من خلال استخدام بعض الأجهزة المتاحة في ورشة الهندسة الميكانيكية."

توضح عيسوي، "إن انخفاض تكلفة هذه المواد ليس ما يجذبنا إليها فحسب، وإنما أيضاً إمكانية استخدام القليل منها فقط. لأن الأنابيب النانوية تعتبر قوية للغاية، بالإضافة إلى وزنها الخفيف، يمكننا استخدام القليل منها فقط عند إضافتها إلى الألومنيوم. وهكذا، فإننا نقلل من إهدار المواد المستخدمة، وبالتالي نحقق المزيد من الاستدامة البيئية مع خفض التكلفة."

يعد التشتت المنتظم لأنابيب الكربون النانوية، مثله مثل سائر المواد النانونية والذي يحدث نتيجة لصغر حجم المواد المتناهي مما يؤدي إلى تكتلها، هو التحدي الأساسي الذي يواجه الباحثين. ولذلك، تعكف عيسوي على اكتشاف طرق مختلفة لإضافة أنابيب الكربون النانوية إلى الألومنيوم، ووجدت أن أفضل طريقة حققت نتائج تمت عن طريق استخدام مطحنة الكرات، وهي تقنية ميكانيكية تقوم بطحن وكسر مواد المعدن والتي تلتحم بعد ذلك لتشكل مزيج من المعادن. "وجدنا أن استخدام مطحنة الكرات، والتي وفرت القوة والصلابة عند مزج بودرة الألومنيوم والأنابيب النانوية، هي الأفضل حتى الآن بالمقارنة بنتائج الباحثين الأخريين في هذا السياق."

وبالإضافة إلى ذلك تقوم عيسوي بدراسة معدل تآكل الألومنيوم المدعم بهذه الأنابيب. تقول عيسوي "إن مركبات أنابيب الكربون والألومنيوم النانوية تعكس مقاومة عالية للتآكل مقارنة بالألومنيوم الخالص، حيث تزيد نسبة الصلابة بشكل ملحوظ. كما تقوم عيسوي حاليا ببحث إمكانية استخدام الألومنيوم المدعم بالأنابيب النانونية كطبقة من الطبقات الموصلة في خلايا السيليكون الشمسية.

وتضيف عيسوي "إن أنابيب الكربون النانوية توفر إمكانات هائلة للمستقبل برغم حجمها الدقيق. ودون أن ندرك، سنجد أن تكنولوجيا النانو تؤثر في جميع أوجه حياتنا بصورة أفضل."

جدير بالذكر أن عيسوي حصلت على جائزة الدولة التشجيعية في العلوم الهندسية لما حققته من إنجاز في مجال مركبات أنابيب الكربون والألومنيوم النانوية عام 2009، كما منحتها الجامعة الأمريكية بالقاهرة جائزة التميز في البحث والإبداع في العام نفسه. وفي 2011، تم تكريمها من قبل دار إلزفير للنشر، وهي إحدى أكبر دور نشر الدوريات العلمية الدولية، لأبحاثها في هذا المجال.