في سويسرا، ابتكروا مادة لإلكترونيات المستقبل بدون دوائر كهربائية

تعد المواد الخارقة واحدة من أكثر المجالات إثارة للاهتمام وسرعة التطور في علم المواد الحديثة. للوهلة الأولى، قد تبدو مثل المعدن العادي أو البلاستيك، ولكن على المستوى الجزئي لديهم بنية معقدة ومصطنعة تمنحهم خصائص غير عادية تمامًا. وقد قدم الباحثون في ETH Zurich نوعًا جديدًا من هذه المواد، وهي مادة صوتية يمكنها التحكم بدقة في الموجات الميكانيكية. ونشرت نتائج البحث في المجلة المراجعة البدنية X.

ما هي المواد الفوقية الصوتية

وقد شارك البروفيسور دينيس كوخمان من ETH زيورخ في هذا المجال لفترة طويلة.

ويقول: “إنه لأمر مدهش كيف يمكنك، بفضل بنية مجهرية خاصة، منح مادة ما خصائص لا تمتلكها بشكل طبيعي”.

يمكن للمادة الجديدة التحكم في انتشار الاهتزازات الميكانيكية والموجات الصوتية. يمكن لمثل هذه المواد الخارقة أن تحصد الطاقة من الاهتزازات، أو تحمي من الصدمات، أو تخفف من الضوضاء، أو حتى تعالج الإشارات بطريقة ميكانيكية بحتة – بدون كهرباء.. وهذا يفتح إمكانية إنشاء أجهزة استشعار ميكانيكية، والجيل القادم من الإلكترونيات الدقيقة، وحتى عناصر أجهزة الكمبيوتر الميكانيكية المستقبلية بدون كهرباء.

كيف يعمل الهيكل

أخذ العلماء غشاءً رقيقًا للغاية من السيليكون، وباستخدام الطباعة الحجرية الضوئية والحفر، أنشأوا نمطًا معقدًا عليه. وهي مكونة من ملايين العناصر المربعة الصغيرة. وينقسم كل مربع قطريًا إلى أربعة أجزاء، وفي وسطه نجمة ذات أربعة أطراف. تفصيل مهم: هذه النجوم ليست هي نفسها. ويتغير شكلها وطول “الأشعة” تدريجيًا في جميع أنحاء الغشاء.

يوضح كوخمان: “إن تصميم المواد الخارقة لدينا يعمل مثل اللغز”. “تؤدي العناصر المختلفة وظائف مختلفة: بعضها يحرف الموجات بزوايا قائمة، والبعض الآخر يفصلها حسب التردد.”

كيف تم تنفيذ التجربة

ولاختبار أداء المادة، قام الباحثون بتصنيع العديد من هذه الأغشية في غرفة نظيفة في مركز تكنولوجيا النانو التابع للمعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيوريخ. ثم استخدموا نبضات الليزر لاهتزاز الغشاء واستخدموا التقنيات البصرية لمراقبة كيفية انتشار الموجات في الوقت الفعلي.

وكانت النتائج مبهرة. تحركت الموجات بدقة على طول مسارات معينة – على سبيل المثال، في شكل الرقم ثمانية. على الرغم من أن المادة تم تصميمها في الأصل لتردد 750 كيلو هرتز، إلا أنها عملت بشكل جيد على نطاق واسع – من 250 إلى 800 كيلو هرتز.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة فيغنيش كانان: “لم نخطط لمثل هذا النطاق الترددي الواسع، لذلك كانت هذه مفاجأة سارة”.

أين يمكنني استخدامه؟

على عكس المواد البوليمرية التي غالبًا ما تتم طباعتها بتقنية ثلاثية الأبعاد، فإن غشاء السيليكون يتمتع بتخميد منخفض جدًا. وهذا يعني أن الاهتزازات فيه تستمر لفترة أطول. ووفقا لكنان، فهذه ميزة كبيرة للتطبيقات العملية.

ويمكن لهذه المواد الخارقة أن تجد تطبيقات في مجموعة متنوعة من المجالات: بدءًا من نعال الأحذية الرياضية والخوذات الواقية وحتى الإلكترونيات الدقيقة. فهي قادرة على تخفيف الاهتزازات الضارة في الرقائق، والعمل كأجهزة استشعار ميكانيكية في الأماكن التي يصعب الوصول إليها، وحتى جمع الطاقة من الاهتزازات المحيطة، وتحويلها إلى كهرباء باستخدام عناصر كهرضغطية.

ويخطط فريق كوهمان الآن لجعل الهياكل أصغر حجمًا واكتساب فهم أعمق للمبادئ الفيزيائية لعملها.

يعترف البروفيسور: “ليس من الواضح تمامًا بعد سبب عمل التصميم بشكل موثوق على هذا النطاق الترددي الواسع”.

وعلى الرغم من الإمكانات التطبيقية، يؤكد كوخمان على أهمية البحوث الأساسية: