شبكات ربط هيدروجيني ثلاثية الأبعاد المُمَكَّنة من فقدان البروتون المزدوج في أفلام ألياف النانو الأراميدية تجاه مقاومة ميكانيكية استثنائية وموصلية حرارية منخفضة للغاية

1/ الخلفية البحثية

تتميز أغشية الألياف النانوية العطرية (ANF) بإمكانات تطبيق واسعة في العديد من المجالات نظرًا لخصائصها الفريدة. ومع ذلك، أصبح تحسين مقاومتها الميكانيكية في حين تقليل موصليتها الحرارية تحديًا بارزًا ومركزًا في هذا المجال. إن الطرق التقليدية تواجه قيودًا واضحة في بناء شبكات روابط هيدروجينية قوية لتحسين أداء أغشية ANF، ولذلك هناك حاجة ملحة لاستراتيجيات جديدة لتحسين بنية وخصائص هذه الأغشية.

الوصف التوضيحي للصورة: إعداد وشكل pAMNFs

ويوضح عملية تحضير pAMNFs (عملية إزالة البروتون من pANFs → pANFs/PMIA → pAMNFs)، ويعرض مقارنة بين هيكل رابطة الهيدروجين ثنائي الأبعاد في pANFs وهيكل رابطة الهيدروجين ثلاثي الأبعاد في pAMNFs، ويضع علامة على "إطار غابة النانو (Nanofibers 'jungle frame')"، ويرتبط ذلك بالرسم التخطيطي المعني بالمتانة الميكانيكية.

2/ طرق البحث

الاستراتيجية الأساسية: تقديم استراتيجية "إزالة بروتون مزدوجة" لمعالجة ألياف الaramid النانوية (ANFs) من أجل بناء شبكة روابط هيدروجينية ثلاثية الأبعاد.

طرق التوصيف:

يتم استخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء مع تحويل فورييه (FT-IR) وتحليل الطيف الكهروضوئي للأشعة السينية (XPS) لتحليل التركيب الكيميائي السطحي للألياف والتحقق من تغيرات المجموعات الوظيفية القطبية.

يتم استخدام مجهر القوة الذرية (AFM) ومجهر الإلكترونيات الماسحة (SEM) لملاحظة التضاريس الدقيقة للألياف والأغشية، وذلك لفهم تحسين البنية.

اختبارات الأداء:

تُستخدم آلة الاختبار العالمية لاختبار مؤشرات الأداء الميكانيكي للأغشية، مثل مقاومة الشد ومعامل المرونة. ويتم تطبيق جهاز قياس التوصيل الحراري بالليزر لقياس التوصيل الحراري للأغشية وتقييم أداء عزلها الحراري.

الوصف التوضيحي للصورة: تحليل البنية الدقيقة

يشمل ذلك صور مستشعر الارتفاع لفحص القوة الذرية (AFM) (مع بيانات الارتفاع مُسمرة في مواضع مختلفة: 6.2 نانومتر، 14.8 نانومتر، 47.9 نانومتر، إلخ)، وصور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (مقارنة بين الشكل الدقيق لـ pANFs وpAMNFs-30 على مقياس 500 نانومتر)، ومنحنى توزيع حجم المسام بالنسبة للضغط النسبي، ومنحنى توزيع حجم المسام لحجم المسام باستخدام طريقة باريت-جوي ner-هاليندا (BJH)، والذي يُظهر الاختلافات في البنية الدقيقة للأغشية الرقيقة قبل المعالجة وبعدها.

3/ نتائج البحث

تم بنجاح إنشاء شبكة روابط هيدروجينية ثلاثية الأبعاد. ولقد نتج عن تأثير الإزالة المزدوجة للبروتونات مجموعات قطبية أكثر على سطح ألياف الأراميد النانوية (ANFs)، مما خلق ظروفاً مواتية لتكوين شبكة روابط هيدروجينية ثلاثية الأبعاد بين الألياف. أظهرت نتائج اختبارات التحليل بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء المحولة (FT-IR) وتحليل الطيف الكهروضوئي بالأشعة السينية (XPS) أن عدد المجموعات الوظيفية القطبية على سطح الألياف زاد بشكل ملحوظ بعد المعالجة، مما وفر مواقع نشطة أكثر لتكوين الروابط الهيدروجينية، وقاد في النهاية إلى إنشاء شبكة روابط هيدروجينية ثلاثية الأبعاد مستقرة.

الوصف التوضيحي للصورة: الخصائص الميكانيكية لأغشية pAMNFs

تعرض عدة مجموعات من جداول بيانات الخصائص الميكانيكية: منحنيات إجهاد-انفعال الشد (بمقارنة pANFs مع pAMNFs ذات محتويات مختلفة من PMIA)، ورسم بياني يوضح العلاقة بين محتوى PMIA والخصائص في pAMNFs، ومنحنيات تأثير درجة الحرارة على القوة/المطيل، بالإضافة إلى مخطط تخطيطي لنقل الحمل على واجهة pANFs وpAMNFs-30، مما يوضح بشكل بديهي تأثير تحسين الخصائص الميكانيكية.

الخصائص الميكانيكية تحسنت بشكل ملحوظ.

وبفضل التأثير الداعم لشبكة الروابط الهيدروجينية الثلاثية الأبعاد، تحسنت الخواص الميكانيكية لغشاء ألياف الأنابيب النانوية (ANF) بشكل كبير. تُظهر البيانات التجريبية أنه مقارنة بغشاء ألياف الأنابيب النانوية غير المعالج، يمكن زيادَة مقاومة الشد للغشاء المركب (pAMNFs) بعد معالجة فقدان البروتون المزدوجة عدة مرات، كما تحسنت صلابة الانحناء بشكل ملحوظ، مما يمنحه ميزة تنافسية أقوى في سيناريوهات تطبيق المواد عالية القوة.

Imag عنوان الصورة: تحليل التركيب الكيميائي

تشمل البيانات مطياف تحويل فورييه بالأشعة تحت الحمراء (FT-IR) (مع إشارة إلى مواضع القمم المميزة مثل انحناء N-H، امتداد C=O⋅⋅⋅H، وامتداد N-H)، ومطياف طاقة الربط المداري C 1s باستخدام قياس التحليل الطيفي للإلكترونات الضوئية بالأشعة السينية (XPS)، ومنحنى توزيع مسافات الروابط الهيدروجينية، ومنحنى عمر الرابطة الهيدروجينية مقابل الزمن، مما يؤكد التغيرات في البنية الكيميائية وتعزيز تفاعل الروابط الهيدروجينية بعد التجريح المزدوج.

تقل التوصيلية الحرارية بشكل ملحوظ.

إن وجود شبكة الروابط الهيدروجينية الثلاثية الأبعاد يُحدث تأثيراً واضحاً في إعاقة انتقال الحرارة، مما يؤدي إلى تقليل كبير في التوصيلية الحرارية للغشاء المركب (pAMNFs). تُظهر نتائج الاختبار أن التوصيلية الحرارية لهذا الغشاء يمكن تقليلها إلى مستوى منخفض للغاية، مما يدل على أداء عازل حرارياً ممتاز ويُظهر إمكانات تطبيقية جيدة في مجال مواد العزل الحراري.

تحسين التركيب المجهرية

تُظهر الصور الملتقطة بمجهر الإلكترون الماسح (SEM) ومجهر القوة الذرية (AFM) أنه بعد معالجة إزالة البروتون المزدوجة، ترتّب ألياف الأراميد النانوية (ANFs) في الغشاء بشكل أكثر انتظامًا، كما أصبحت روابط الألياف أشدّ، مشكلةً بنية دقيقة متجانسة وكثيفة. يُعد هذا التحسين في البنية واحدة من الأسباب المهمة لزيادة قوة الغشاء الميكانيكية وانخفاض توصيله الحراري.

أنا عنوان الصورة: تحليل شامل للخصائص الميكانيكية والحرارية

يُظهر منحنيات معامل التخزين/معامل الفقد مقابل درجة الحرارة، ورسوم بيانية مقارنة للتوصيل الحراري (ومنخفضة للغاية في مادة pAMNFs-30 حيث تصل إلى 0.0626 واط·م⁻¹·ك⁻¹)، ومنحنى التحليل الحراري الجاذبي (TG)، ورسوم بيانية مقارنة بين قوة الشد وصلابة مواد مختلفة، بالإضافة إلى مقارنات في تغير الأداء بين pAMNFs-30 وpANFs عبر فترات زمنية مختلفة، مما يُظهر بشكل شامل المزايا الميكانيكية والحرارية للفيلم الرقيق.

4/ الاستنتاجات البحثية

لقد نجحت الاستراتيجية "النزع المزدوج للبروتون" المقترحة في هذه الدراسة في بناء شبكة روابط هيدروجينية ثلاثية الأبعاد في أغشية ألياف النانو الأراميدية (ANF). ليس هذا فحسب، بل يُحسّن بشكل فعال مقاومة الأغشية الميكانيكية، كما يقلل بشكل كبير من توصيلها الحراري. يتميز الأسلوب بسهولة التشغيل وفعالية ملحوظة، مما يوفّر منهجاً جديداً لتحسين أداء مواد ألياف النانو الأراميدية. ومن المتوقع أن تُطبّق هذه الغشاوة المركبة عالية الأداء (pAMNFs) على نطاق واسع في المستقبل في مجالات متعددة مثل الطيران والفضاء، والتخلص من الحرارة في الأجهزة الإلكترونية، والمواد المركبة عالية الأداء، مما يسهم في تطوير التكنولوجيا في الصناعات المرتبطة.