إعادة اكتشاف ما لا يمكن إصلاحه: المواد الذكية القديمة وألغازها الحديثة

أحدثت المواد الذكية - القادرة على الاستشعار والتكيف مع التغييرات البيئية - ثورة في الهندسة الحديثة وعلوم المواد. تُغيّر هذه المواد خصائص الاستجابة للمنبهات الخارجية مثل درجة الحرارة والضغط ودرجة الحموضة والحقول الكهربائية أو المغناطيسية. ومع ذلك، فإن الحقيقة الملحوظة هي أن الحضارات القديمة طورت مواد ذات خصائص ذكية مساوية - حتى أن بعضها يتجاوز تقنيات اليوم - وأن العديد منها لا تزال غير معقولة.

يستكشف هذا المقال مفهوم المواد الذكية وتصنيفها وتطبيقاتها الصناعية والسوق العالمي الحالي. ويتعمّق على الخصوص في عشر مواد ذكية قديمة لم يتوصّل العلماء بعد إلى تكرارها، مع تفصيل الأبحاث المستمرة، والخروقات العلمية، وإمكاناتها المستقبلية. ويُقدّم وجهة نظر متعددة التخصصات تربط بين البراعة القديمة والابتكار الحديث، وتدعمها البيانات التكنولوجية والاقتصادية والتاريخية.

منظر للبانثيون في روما، بما في ذلك القبة الخرسانية.

سكين من فولاذ دمشق مع أنماطه الدوامية المتنوعة على سطح النصل

1. ما هي المواد الذكية؟

التعريف والخصائص.

المواد الذكية هي مواد تظهر سلوكيات استجابة للمُحرّضات أو المُحفّزات الخارجية. يمكن أن تكون هذه المُحفّزات بيئية (درجة الحرارة، الرطوبة، الضوء)، وميكانيكية (الإجهاد، التشوه)، أو كيميائية (الرقم الهيدروجيني، القوة الأيونية). يشير مصطلح "Smart" إلى القدرة المتأصلة في الاستجابة والتكيّف مع الظروف المتغيرة دون أنظمة تحكم خارجية.

تتضمن الخصائص الرئيسية:

• الاستجابة: القدرة على تغيير الخصائص مثل الشكل أو المتانة أو اللون.

• الرجوعية: القدرة على العودة إلى الحالة الأصلية بعد إزالة التحفيز.

• القدرة على التكيّف: رد فعل ديناميكي للعوامل الخارجية المتعددة.

2. تطوير المواد الذكية وتصنيفها.

التطور التاريخي.

ظهر المفهوم بشكل بارز في سبعينيات القرن الماضي مع إدخال سبائك ذاكرة الشكل والسيراميك الكهروضوئي. منذ ذلك الحين، شملت المعالم الهامة البوليمرات ذات الشفاء الذاتي (2001) والهيدروجيل المستوحى حيوياً (2010)، وذلك بمساعدة أدوات التصميم النانوية وأدوات التصميم الحسابي.

تصنيفات المواد الذكية.

أ. سبائك ذاكرة الشكل (Shape Memory Alloys SMAs): على سبيل المثال، سبيكة نيتينول المستخدمة في الدعامات الطبية.

ب. المواد الكهروضغطية: توليد الكهرباء عند التعرُّض لإجهاد ميكانيكي، أو التشوه بفعل إجهاد كهربائي.

ت. المواد الكهروميكية والحرارية: تغيير اللون مع الجهد أو الحرارة.

ث. المواد المغناطيسية: تغيير الشكل استجابة للحقول المغناطيسية.

ج. المواد ذاتية الشفاء: إصلاح الأضرار المجهرية بشكل مستقل.

ح. البوليميرات المستجيبة للضوء ودرجة الحموضة: تستخدم في أنظمة توصيل الأدوية.

3. تطبيقات المواد الذكية.

تمتلك المواد الذكية تطبيقات صناعية واسعة النطاق:

القطاع                                   التطبيق

الصحة                     مركبات الرعاية الصحية وأنظمة توصيل الأدوية والأجهزة العظمية

الفضاء                    التحكم في اهتزاز الفضاء، ومستشعرات الأضرار، والمشغلات

البناء                       بناء الخرسانة ذات الشفاء الذاتي، واجهات زجاجية تكيفية

النسيج                    ملابس مناخية مستجيبة للمناخ، تقنية يمكن ارتداؤها

الإلكترونيات             عروض إلكترونيات ذكية وأجهزة استشعار ومشغلات

4. سوق المواد الذكية العالمي.

وفقاً لـ MarketSandMarkets، تم تقييم سوق المواد الذكية العالمية بحوالي 60 مليار دولار أمريكي في عام 2025، ومن المتوقع أن يصل إلى 105 مليار دولار بحلول عام 2030، بمعدل نمو سنوي مركب بلغ 12 ٪. تزيد محرّكات النمو الأساسية من الطلب في مجالات الفضاء والسيارات والطبية الحيوية والتكنولوجيا القابلة للارتداء.

كبار المستثمرين ومُجمّعات الأبحاث:

• الولايات المتحدة (ناسا، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، جورجيا تك)،

• ألمانيا (معهد Fraunhofer)،

• اليابان (ريكن، جامعة توهوكو)،

• كوريا الجنوبية (Kaist).

5. الصعوبة المُستمرّة لإعادة إنتاج المواد "الذكية" العشرة القديمة.

طورت الحضارات القديمة مواد ذات خصائص أقرب إلى المواد الذكية الحديثة. ويُظهر العديد منها المتانة أو الاستجابة أو الآثار البصرية غير المُفسّرة من قبل العلوم المعاصرة.

أ. الخرسانة الرومانية.

• الاستخدام: الجدران البحرية، الموانئ، قبة البانتيون.

• الخاصة الذكية: الشفاء الذاتي عن طريق رد فعل بوزولاني (pozzolanic) في مياه البحر.

• القيود الحديثة: تتحلل الخرسانة الحالية في عقود؛ الخرسانة الرومانية تتقوّى مع مرور الوقت.

• اختراق علمي: كشفت أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا عن أن مجموعات الكلس في المزيج تتيح إصلاح الشقوق.

يعد البانثيون في روما مثالاً على البناء الروماني الخرساني

ب. فولاذ دمشق.

• الاستخدام: السيوف في الشرق الأوسط (القرن الثالث إلى السابع عشر).

• الخاصة الذكية: أنماط القوة والمرونة وأنماط الأسلاك النانوية.

• القيود الحديثة: فقدان مصدر الصلب من نوع WOOTZوأسرار التطريق.

• اختراق علمي: تم تحديد بُنى الأنابيب النانوية الكربونية ولكنها غير قابلة للتشكُّل في السبائك الحديثة.

ت. النار اليونانية.

• الاستخدام: سلاح حارق بيزنطي يستخدم على الماء.

• الخاصة الذكية: تشتعل مع ملامسة الماء والمواد اللاصقة.

• القيود الحديثة: التركيب غير معروف - شمل على الكلس السريع والبتروكيماويات.

• اختراق علمي: نظريات كيميائية كثيرة، ولكن لا توجد صيغة آمنة مستنسخة.

ث. سيلفيوم (Silphium).

• الاستخدام: وسائل منع الحمل القديمة والتوابل.

• الخاصة الذكية: مركب نشط حيوياً مع الآثار الفسيولوجية المستهدفة.

• القيود الحديثة: انقراض النبات.

• اختراق علمي: لا شيء؛ عدم معرفة الهوية الكيميائية الحيوية؛ لا يمكن استبداله.

ج. كأس

ليكورغوس.

• الاستخدام: الأواني الزجاجية الرومانية.

• الخاصة الذكية: يغير اللون مع اتجاه الضوء (الأخضر/الأحمر).

• القيود الحديثة: تضمين الجسيمات النانوية غير مفهومة تمامًا حتى وقت قريب.

• اختراق علمي: أكدت أبحاث نانوبلازم 2020sتبعثر غرواني من الذهب/الفضة.

كأس ليكورغوس مضاءً من الخلف

ح. جص المايا.

• الاستخدام: بنية الأهرامات والمدن.

• الخاصة الذكية: طول العمر الشديد، المقاومة البيئية.

• القيود الحديثة: ضياع دمج مُستخلصات الأشجار العضوية.

• اختراق علمي: ترابط نسغ الأشجار (Tree SAP) مع الكلس الذي جرى تحديده؛ استنساخ غير مؤكد.

خ. قرص Uunartoq.

• استخدام: أداة التنقل عند حضارة Viking.

• الخاصة الذكية: بوصلة الشمس المغناطيسية القائمة على ضوء النهار.

• القيود الحديثة: من الصعب إعادة بناء الوظيفة البصرية بسبب الحد الأدنى من السجلات.

• اختراق علمي: إعادة البناء ممكن باستخدام بلورات sparالأيسلندية.

نسخة طبق الأصل حديثة ومُبتكرة من قرص أونارتوك، أكبر بكثير من النسخة الأصلية.

د. الطلاء الزجاجي الصينية القديم على السيراميك.

• الاستخدام: خزف سلالة سونغ.

• الخاصة الذكية: طلاء زجاجي متعدد التلوّن، ومُتفاعل خفيف.

• القيود الحديثة: يتطلب أجواء فرن دقيقة وفلزات نادرة.

• اختراق علمي: تم تقليد بعضه في ظل شروط المختبر، ولكن لم يتم إنتاجه.

ذ. أزرق المايا.

• الاستخدام: صباغ في الطقوس والزخرفة.

• الخاصة الذكية: استقرار كيميائي وضوئي لعدة قرون.

• القيود الحديثة: عملية مزج مكونات وتسخين مُعقّدة.

• اختراق علمي: تم إعادة تشكيل غضار Palygorskiteو Indigoفي المختبرات منذ عام 2015.

محارب على خلفية زرقاء في جدارية

لوحة مكسيكية لخوان جيرسون، استُخدم فيها اللون الأزرق الماياني: اختفت هذه التقنية في أوائل الفترة الاستعمارية

ر. سيوف فايكينج Ulfberht.

• الاستخدام: أسلحة النخبة لمحاربي فايكنغ.

• الخاصة الذكية: شفرات من الفولاذ عالي الكربون مماثلة للتعدين الحديث.

• القيود الحديثة: طريقة انتشار ودمج الكربون غير معروفة؛ كان نقاء الحديد مرتفعاً بشكل غير عادي.

• اختراق علمي: تكشف تحليلات الأشعة السينية آثار عناصر، ولكن التقنيات غير قابلة للتكرار في ظروف العصور الوسطى.

6. البحث الحالي والجهود العلمية في مجال المواد الذكية.

يتم تطبيق التقنيات الحديثة لإعادة اكتشاف هذه المواد وإعادة إنتاجها:

• نمذجة الذكاء الاصطناعى: تستخدم لمحاكاة العمليات القديمة وتحسين النسخ المتماثلة الحديثة.

• التحليل النانوي: يتم تطبيقه لتحليل البنية المجهرية في القطع الأثرية مثل كأس Lycurgus.

• التوليف العضوي: محاولات لإعادة إنشاء المركبات المفقودة (على سبيل المثال، بدائل Silphium).

• المصادر الفلزية البركانية: تم استكشافها في تكرار الخرسانة الرومانية.

7. مستقبل المواد الذكية القديمة.

إذا اكتشف الباحثون الأسرار وراء هذه المواد الذكية القديمة، تشمل الابتكارات المحتملة:

• البنية التحتية المستدامة عبر الخرسانة الرومانية.

• مواد متوافقة حيوياً مستوحاة من السلفيوم (Silphium)  وجص Mayan.

• البصريات التكيفية باستخدام المعرفة من كأس Lycurgus.

• الأسلحة المتقدمة والأدوات من نظيراتها في فولاذ دمشق.

علاوة على ذلك، قد تلهم تقنيات التراث بدائل منخفضة الكربون للعمليات الصناعية، وهو أمر بالغ الأهمية لأهداف للمناخ المحايد المستقبلية.

خاتمة.

تمثل دراسة المواد الذكية القديمة تقارباً بين التاريخ والكيمياء والتكنولوجيا النانوية وعلم الآثار. في حين أن العلوم الحديثة فتحت العديد من المآثر التكنولوجية، إلا أنها تستمر في السعي نحو فهم المواد التي تم تطويرها منذ آلاف السنين. لا يتحدى هذا المسعى حدود المعرفة الحالية فحسب، بل يقدم أيضاً وعداً بالتطبيقات الثورية، مما يدمج الحكمة القديمة مع التكنولوجيا المستقبلية.