طلاء بوليمر نانوي يرفع كفاءة نقل الحرارة بنسبة 5.5 أضعاف عبر استغلال العيوب

يعالج طلاء بوليمر نانوي جديد، طوّره باحثو معهد KAIST، عقبة أساسية في أنظمة التبريد الصناعية وتجميع المياه. ومن خلال تحويل العيوب السطحية المجهرية إلى ميزة هندسية، يرفع هذا الغشاء الرقيق جداً من كفاءة نقل الحرارة بالتكثيف على الأسطح النحاسية بنسبة تصل إلى 5.5 أضعاف.

يُعد هذا التحديث بالغ الأهمية للمهندسين والمصممين العاملين على تحسين كفاءة محطات الطاقة، وأنظمة تحلية المياه، والإدارة الحرارية للأجهزة الإلكترونية عالية الأداء. فمن خلال تسريع عملية تشكّل قطرات الماء وانفصالها، تمنع هذه التقنية تراكم الطبقات المائية العازلة التي عادة ما تدمّر الكفاءة الحرارية.

تعتمد كفاءة التكثيف على إزالة الماء من السطح بأسرع وقت ممكن. وعلى الأسطح المعدنية التقليدية، تميل القطرات الصغيرة إلى الاندماج لتشكيل طبقة رقيقة من الماء، والتي تعمل كحاجز حراري. وتتحسن عملية نقل الحرارة بشكل كبير عندما يحدث التكثيف على شكل قطرات فردية تتشكل وتتساقط باستمرار، وهي عملية تُعرف باسم التكثيف القطري (Dropwise condensation).

وقد واجهت التصميمات السابقة للأسطح مفاضلة فيزيائية أساسية. فزيادة خشونة السطح تخلق مواقع أكثر لتشكّل القطرات، لكن هذه الهياكل نفسها تحتجز القطرات وتجعل إزالتها صعبة. وفي المقابل، فإن جعل السطح أكثر نعومة يسمح بانفصال القطرات بسهولة، لكنه يترك مواقع أقل لتشكّل قطرات جديدة.

تكتسب هذه الأبحاث أهميتها لأنها تستخدم الهياكل النانوية التي كانت تُعتبر سابقاً عيوباً، كخصائص تساعد في تشكيل القطرات.

- البروفيسور Youngsuk Nam، معهد KAIST

تغلب فريق البحث المشترك، بقيادة البروفيسور Youngsuk Nam والبروفيسور Sung Gap Im، على هذا التعارض من خلال الاستفادة من تجمعات البوليمر النانوية التي تُعامل تقليدياً على أنها شوائب. وقد ابتكروا هذه الأغشية باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار المُحفّز (iCVD)، والذي يرسب سلائف غازية على السطح لتشكيل طبقة بوليمر رقيقة للغاية.

وعندما تم تقليل سُمك الغشاء، ظهرت مجموعات كثيفة من تكتلات البوليمر الصغيرة عبر السطح، لتعمل كمواقع تنوي لتشكّل القطرات. ثم طبّق الباحثون معالجة حرارية محددة لإضعاف قوة التصاق القطرات بالسطح. وقد سمح هذا النهج المزدوج بالتحكم المستقل؛ حيث يحدد سُمك الغشاء معدل التشكّل، بينما تعزز المعالجة الحرارية سرعة الانفصال.

وعند تطبيق الطلاء على الأنابيب النحاسية المستخدمة بكثرة في المكثفات، وصل الحد الأقصى لمعامل نقل الحرارة بالتكثيف إلى رقم مذهل بلغ 88 كيلوواط لكل متر مربع كلفن. ويتفوق هذا الأداء بنسبة تزيد عن 50% مقارنة بالطلاءات التقليدية الكارهة للماء. نُشرت النتائج الكاملة في 16 يوليو 2026 في دورية Nature Communications عبر الرابط: DOI: 10.1038/s41467-026-75621-5.

تتمثل النتيجة الأبرز من دراسة معهد KAIST في التحول الفلسفي داخل علوم المواد: الابتعاد عن السعي وراء الأسطح الموحدة والمثالية تماماً. فمن خلال الهندسة المتعمدة للعيوب النانوية لتعمل كمواقع نشطة لتشكّل القطرات، تجاوز الباحثون الحدود التقليدية للطلاءات الكارهة للماء.

ويحمل هذا النهج تداعيات هائلة على قابلية التوسع الصناعي. ونظراً لأن عملية iCVD يمكنها تشكيل طلاءات رقيقة وموحدة للغاية حتى على الأسطح ذات الأشكال الهندسية المعقدة، فهي لا تقتصر على العينات المخبرية المسطحة. وإذا تم دمج هذا الطلاء القائم على العيوب في المبادلات الحرارية التجارية أو غرف البخار الإلكترونية من الجيل التالي، فإنه سيقلل بشكل جذري من الطاقة اللازمة للتبريد، مما يخفض تكاليف التشغيل المباشرة لمراكز البيانات ومحطات الطاقة.