فريق بحثي من جامعة خليفة يطور أجهزة استشعار الضغط باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد ومواد ثنائية الأبعاد

يمكن للإلكترونيات الرقيقة والمرنة تحمل العديد من الجوانب السلبية التي تشمل الضغط والانثناءات والالتواءات على العكس من الإلكترونيات التقليدية الصلبة التي تقوم على السيليكون. وتعتبر  أجهزة استشعار الضغط التي تحول الضغط الخارجي إلى إشارات كهربائية تطبيقًا هامًا للإلكترونيات المرنة خاصة في التطبيقات الطبية الحيوية.

وفي هذا الصدد، قام فريق بحثي من جامعة خليفة بدراسة آلية تطوير جهاز استشعار الضغط بالاستعانة بمادة ثنائية الأبعاد جديدة، وهي صفيحة لا يتعدى سمكها مقدار ذرة واحدة، إضافة للاستعانة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد. ونشر الفريق البحثي نتائج هذا المشروع في المجلة العلمية "أدفانسد إنجنييرنغ متيريالز".

وضم فريق الباحثين كلًا من الباحث المشارك جنغ فو  وطالبة الدكتوراه سمية طاهر والأستاذ راشد أبو الرب، مدير مركز التصنيع الرقمي وثلاثي الأبعاد المتقدم وأستاذ الهندسة الميكانيكية والأستاذ تي جيه رانغ، أستاذ في الهندسة الميكانيكية والأستاذ فنسنت تشان، أستاذ في الهندسة الطبية الحيوية والأستاذ كن لياو، أستاذ في هندسة الطيران.

قال الدكتور كن: "يمكن تقسيم أجهزة استشعار الضغط إلى العديد من الفئات التي تشمل أجهزة استشعار كهروضغطية وأجهزة استشعار مقاومة للضغط. ويقوم مبدأ عمل أجهزة الاستشعار الكهروضغطية على التغير في المقاومة الكهربائية لجهاز الاستشعار  للضغط الواقع عليه، وتتميز هذه الأجهزة بهيكل بسيط وحساسية عالية واستجابة سريعة واستهلاك منخفض للطاقة، وهو ما يجعلها من أفضل الخيارات التي تتيح الاستفادة منها في مختلف التطبيقات".

وللحصول على أجهزة استشعار الضغط الفعالة، لا بد من تطويرها بشكل دقيق جدًا، وقد تساهم زيادة سمكها في الحصول على قراءات خاطئة لأن جهاز الاستشعار سيضغط على مادة لينة وبالتالي سيقل الحمل بين الأجسام وستزيد قراءة الضغط. ولتحقيق دقة عالية في هذا الإطار، توجهت أنظار الباحثين إلى المواد ثنائية الأبعاد لتطوير أجهزة استشعار رقيقة قدر الإمكان.

وأضاف الدكتور كن: "تعتمد فعالية الأداء الهندسي لأجهزة الاستشعار المقاومة للضغط على المادة النشطة التي يحتوي عليها جهاز الاستشعار. ولقد تم في السابق استخدام أنواع عديدة من المواد الموصلة كالجسيمات النانوية المعدنية والبوليمرات الموصلة والغرافين والمركبات المعدنية الانتقالية، لكن اتجهت أنظار الباحثين مؤخرًا  إلى المواد ثنائية الأبعاد التي تشمل مواد الكربيدات والنيتريدات المعدنية الانتقالية المعروفة باسم (مكسينز)".

وتعرف مواد الـ "مكسينز" بأنها مجموعة من المواد ثنائية الأبعاد المكونة من معدن ما قبل الانتقال  كالتيتانيوم والزركونيوم والهافنيوم، وكربون و نيتروجين وهيدروكسيل وأكسجين ومجموعة الفلورين الوظيفية. وتساهم هذه التركيبات بمنح مواد الـ "مكسينز" ثنائية الأبعاد خاصية متميزة في التوصيل الكهربائي في الماء، الأمر الذي يمكنها لتصبح مواد واعدة مستقبلًا للاستفادة منها في التطبيقات المختلفة كتطبيقات أجهزة الاستشعار المقاومة للضغط.

ويمكن استخدام مواد الـ "مكسينز" ثنائية الأبعاد كصفائح يتم ترتيبها فوق بعضها من خلال قوى "فان دير فالس" أو الروابط الهيدروجينية بين المجموعات الوظيفية، وبهذه الطريقة يمكن تشكيل المواد ثنائية الأبعاد لأشرطة رقيقة مرنة ومستقرة، لكن نتج عن ذلك ضعف كبير في مقاومة أجهزة الاستشعار  لمحدودية مرونة الصفائح عند تعرضها للضغط. وللتصدي لهذه المشكلة، استخدم الباحثون مواد الـ "مكسينز" في إطار ثلاثي الأبعاد وبنفس الأطوال والمقاييس ولكن بثلاثة أبعاد بهدف الاستفادة بشكل أفضل من مواد الـ "مكسينز".

ومن ناحية أخرى، استخدم فريق جامعة خليفة البحثي تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتطوير هياكل ثلاثية الأبعاد، حيث تتيح هذه التكنولوجيا صناعة أجهزة استشعار مرنة وعالية الحساسية للضغط وبنطاق ديناميكي مرتفع.

وقال الدكتور كن: "توجد عدة خيارات لتصميم الهياكل الداخلية، لكن تعتبر تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد هي الطريقة الأفضل ويمكن الاستفادة منها في مجال تطوير الخصائص السطحية وزيادة الفعالية الميكانيكية والتوصيل الحراري. وسيؤدي الدمج ما بين مواد الـ "مكسينز" والطباعة ثلاثية الأبعاد إلى تطوير شبكة مسامية ثلاثية الأبعاد تتميز بخصائص موصلة للكهرباء وأخرى ميكانيكية".

وطور الفريق طريقة بسيطة وفعالة للدمج ما بين مواد الـ "مكسينز" ثنائية الأبعاد وتكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد لإنتاج هيكل ثلاثي الأبعاد يحتوي موادًا ثنائية الأبعاد للاستفادة منه كجهاز استشعار مقاوم للضغط يتسم بمزايا تشمل الحساسية العالية والسرعة في الاستجابة واستدامة قابلة للتحسين.

يذكر أن فريق الدكتور كن يقوم في الوقت الحالي بإجراء مشروع بناء هياكل ثلاثية الأبعاد من مواد ثنائية الأبعاد تختلف في خصائصها بهدف الاستفادة منها في العديد من التطبيقات كتطبيقات أجهزة الاستشعار  والوقاية من التداخل الكهرومغناطيسي، إضافة للتطبيقات المتعلقة بالطاقة.