موادّ المستقبل

الموادّ المساميّة

إحدى طرق تطوير مادّة متينة وخفيفة ملؤُها بالهواء. هذه هي الفكرة الّتي تقف وراء الموادّ المساميّة (Porosity materials) المبنيّة من شبكة مهوّأة ثلاثيّة الأبعاد متّخذةً هيكلًا شبيهًا بالإسفنج. يكون وزن هذه الموادّ خفيفًا جدًّا لأنّ الهواء يملأ غالبيّة حجمها. تتيح الشّبكة المعقّدة للمادّة، رغم كونها مليئة بالخروق، تحمّل ضغوط عالية جدًّا نسبةً لوزنها.

تتيح المسامات مرور الغازات والسّوائل، وهذه ميزة إضافيّة لهذه الموادّ الّتي تثير اهتمامًا كبيرًا لاستخدامها ركيزة امتزاز أو في تحفيز التّفاعلات الكيميائيّة، لأنّ مساحتها السّطحية كبيرة جدًّا نسبةً لحجمها. تمتاز الموادّ المساميّة، أيضًا، بالعزل الحراريّ الفائق إذ تمنع المسامات الكثيرة المليئة بالهواء انتقال الحرارة.

الأيروجيل والفلزّات الإسفنجيّة مثالان بارزان لمثل هذه الموادّ. يُنتَج الأيروجيل في عمليّة تجفيف الجيل بأسلوب خاصّ، ويُعتبر المادّة الصّلبة ذات الكثافة الأقلّ من بين سائر الموادّ على الإطلاق، إذ يشكّل الهواء أكثر من 99.9 بالمائة من حجمه. تتمتّع هذه الموادّ بعزل حراريّ ممتاز، وتتحمّل ضغوطًا عالية. طُرحت فكرة إمكانيّة استخدام هذه الموادّ في امتزاز الغبار الفضائيّ، كجزء من الطّبقة الخارجيّة للمركّبات الفضائيّة المأهولة مثلًا، وذلك بفضل ميزاتها المذكورة، وقدرتها على امتزاز كمّيّات كبيرة من المادّة. 

يمكن إنتاج الفلزّات الإسفنجيّة بطرق متعددة، إلّا أنّ المنتج النّهائيّ متشابه فيها جميعًا: مادّة وزنها يعادل ما بين 5 و 25 بالمائة من وزن فلزّ عاديّ له نفس الحجم. تتحمّل الفلزّات المساميّة الضّغوط العالية رغم وزنها المنخفض، بفضل مبناها الشّبيه إلى حدٍّ ما بمبنى العظام في أجسامنا، وتتيحُ المساماتُ المجالَ للهواء والسّوائل للمرور من خلالها. يمكن استخدام هذه الموادّ، من ضمن استخدامات أخرى، عظامًا صناعيّة لزراعتها في جسم الإنسان وممتصّات للصّدمات خفيفة الوزن في صناعة السّيّارات والطّيران، وركيزة تحفيز التّفاعلات الكيميائيّة بفضل مساحتها السّطحيّة الهائلة.

الموادّ البيولوجيّة

القاسم المشترك بين الموادّ البيولوجيّة الّتي تشمل العديد من العائلات المختلفة هو صلتها بالعالم البيولوجيّ. تشمل هذه المجموعة موادّ طُوِّرت بإيحاء من مادّة بيولوجيّة معيّنة، أو باستخدام موادّ خام من مصدر بيولوجيّ، أو أنَّ لها استخدامات بيولوجيّة. 

تجري محاولة دمج صفات خاصّة ملفتة للانتباه من عالم الأحياء أو النّبات، مثل مقاومة البكتيريا أو القدرة على الالتئام، في موادّ اصطناعيّة. يمكن، على سبيل المثال، دمج كريات صغيرة تحوي موادّ رابطة في عمليّات إنتاج الباطون والأسفلت وحاويات الوقود من أجل تمكين التئام الشّقوق والتّصدّعات الّتي قد تتكوّن فيها، تمامًا كما يحصل في المنظومات البيولوجيّة. تُطلق هذه الكريات موادّ الالتئام من داخلها حال حدوث التّلف لتبدأ عمليّة إصلاحه. 

تُستغلّ الخصائص الكامنة في مادّة بيولوجيّة ما، أحيانًا، في إنتاج موادّ صناعيّة متنوّعة ذات صفات مميّزة. يجري الحديث في بعض الحالات عن تطوير عمليّة صناعيّة لإنتاج مادّة من مصدر بيولوجيّ لها صفات مرغوبة، مثل محاكاة متانة ومرونة خيوط الحرير ونسيج العنكبوت. ويتمّ في حالات أخرى إخضاع مادّة بيولوجيّة رائجة الاستخدام لعمليّة كيميائيّة تُكسبها خصائص تتيح استخدامها في قنوات جديدة. يمكن بهذه الطّريقة، مثلًا، إزالة اللجنين -المادّة البوليمريّة الموجودة في خلايا خشب الشّجر الّتي تحجب جزءًا كبيرًا من الضّوء- من الأنسجة الخشبيّة وإضافة مادّة عضويّة بديلة. تتيح هذه العمليّة إنتاج خشب شفّاف وصنع شبابيك خشبيّة بدلًا من الزّجاج. 

هناك دافع كبير لاستبدال الموادّ البلاستيكيّة بموادّ خضراء قابلة للتّفتّت والنّفاد. تُبذل جهود جبّارة في سبيل إنتاج موادّ بلاستيكيّة ذات طابع بيولوجيّ حقيقيّ (بيو - بلاستيك) تتحلّل بشكل كامل خلال فترة قصيرة، وتُنتَج في عمليّة ذات بصمة بيئيّة منخفضة. ويُلاحظ في الآونة الأخيرة دخول المزيد من موادّ التّغليف وبدائل البلاستيك الّتي تستحضر من بقايا الخشب والطّحالب حتّى من بقايا الطّعام إلى السّوق. 

الموادّ النّانويّة

يتعامل عالم الموادّ النّانويّة مع موادّ صغيرة جدًّا لا تزيد مقاساتها عن بضع أجزاء من المليار من المتر. يُرجى أن يكون لهذه الموادّ، رغم صغر مقاساتها، أو بالأحرى بفضله، تأثيرٌ هائل في المستقبل القريب. يقتضي السّباق نحو الحواسيب القويّة والكاميرات الغنيّة بالميجا بيكسيلات والشّاشات ذات الدّقّة ودرجة الوضوح العالية، المزيدَ من التّصغير في التّجهيزات التّكنولوجيّة، إذ يستدعي تصنيع التّجهيزات المصغّرة استخدام موادّ متناهية الصّغر. 

في المستقبل، ستُدمجُ الأجهزة المصغّرة في الجسم والملابس وفي أشياء أخرى بسهولة، لكي تُستخدم في متابعة الحالة الصّحّيّة أو في التّأقلم للتّغيّرات في البيئة المحيطة. سيكون بإمكان القميص الّذي ترتديه التّأقلم مع حالة الطّقس بحيث يعمل على تدفئة الجسم في الطّقس البارد، والتهوية عند ارتفاع درجات الحرارة، وتستطيع الأجهزة المغروسة داخل الجلد الإبلاغ عن حالة صحّيّة طارئة حال وقوعها.

يتجلّى الطّابع الغريب لفيزياء الكمّ في خواصّ قسمٍ من الموادّ متناهية الصّغر، تلك المسمّاة بالموادّ الكوانتيّة (نسبةً إلى الكموميّة أو الكوانتم) وهذا شيء مذهلٌ بحدّ ذاته. مَثَلُ ذلك أن تُحدِّد مقاييسُ الجسيم ماذا سيكون لونه، وأن يُتاح التّوصيل الكهربائيّ عديم المقاومة (توصيل فائق)، كما وتنصبّ الآمال نحو تطوير موادّ يمكنها نقل المعلومات والحوسبة الكوانتيّة. 

يمكن أن تستخدم الموادّ الّتي مقاييسها أصغر من طول موجة الضّوء المرئيّ - من 400 حتّى 800 نانومتر - في التّحكّم بالضّوء ذاته. يمكن تنظيم هياكل نانومتريّة في قوالب دوريّة لبناء موادّ بصريّة فوقيّة ذات مقاييس صغيرة تحلّ محلّ العدسات البصريّة الكبيرة الخرقاء المعروفة لنا من البصريّات المسطّحة. يتمّ هندسة هذه الموادّ الفوقيّة، أي الموادّ غير الموجودة طبيعيًّا بهذا التّرتيب الخاصّ، من اللبنات الأساس، لغاية خاصّة. تفتح هذه الموادّ إمكانيّاتٍ خياليّة قد تصل إلى استحضار موادّ قادرة على القيام بالحسابات الرّياضيّة أو الاختفاء وإخفاء الأشياء، تمامًا كعباءة هاري بوتر. 

البيروفسكايت

أخيرًا، لا يمكننا الحديث عن موادّ المستقبل دون التّطرّق إلى عائلة الموادّ الّتي تُحْدِث مؤخّرًا انقلابًا حقيقيًّا في عالم الطّاقة الشّمسيّة، ومن المتوقّع أن نشعر بأثرها في المستقبل القريب في أجهزة الإضاءة الحديثة والكاشفات والشّاشات المتطوّرة. تُسمّى هذه الموادّ البيروفسكايت وهي موادّ رخيصة سهلة الاستحضار إلى حدّ كبير، لها خاصّيّة مذهلة في تحويل الضّوء إلى كهرباء. يؤدّي ترتيب الذّرّات الخاصّ والمميّز لهذه الموادّ إلى سلوكٍ مغاير لسلوك الموادّ التّقليديّة العاديّة. يمكن لهذه الموادّ، بالإضافة لخواصّها الكهروضوئيّة غير العاديّة، أن تلتحم مع بعضها، وهي موادّ ما بين اللّيّنة والقاسية.