تطبيق الطرائق الحاسوبية على تطوير المواد المستدامة والمعاد تدويرها

ونظرا لأن الدفع العالمي نحو الاستدامة البيئية قد وضع مطالب غير مسبوقة على علم المواد من أجل إيجاد حلول مبتكرة تقلل من الأثر الإيكولوجي دون المساس بالأداء، فإن الأساليب الحاسوبية قد ظهرت كأدوات لا غنى عنها في هذا المسعى، مما يمكّن الباحثين من تصميم وتحليل المواد ذات التوجهات المتشابكة والمعززة للتقلبات في جزء من التكلفة والوقت اللذين تتطلبهما التجارب التقليدية على التجارب على المدارات وعلى نحو أفضل.

التعريف بعلوم المواد الحاسوبية

وعلم المواد الحاسوبية مجال متعدد التخصصات يجمع بين المبادئ من الفيزياء والكيمياء والهندسة والحساب المتقدم للنموذج والتنبؤ بالسلوك المادي بمختلف مقاييسه الطويلة والزمنية، ويعود تاريخه إلى منتصف القرن العشرين، ولكنه تسارع بشكل كبير خلال العقدين الماضيين بسبب النمو الهائل في الطاقة الحسابية وتطوير الباحثين الميكانيكيين الجامحين الواضعين.

ولا يؤدي هذا النهج إلى تسريع عملية الاكتشاف فحسب، بل يخفض أيضاً استهلاك النفايات والموارد المتأصلة في البحوث التجريبية، وبالنسبة للمواد المستدامة، فإن الأساليب الحاسوبية تتيح تقييم عوامل الأثر البيئي في مرحلة مبكرة من مرحلة التصميم، مثل الطاقة المجسدة، وإمكانات إعادة التدوير، والسمية، ومن خلال إدماج نماذج تقييم دورة الحياة مع محاكاة جزيئية، يمكن للعلماء تقدير الأثر البيئي الكامل للمواد قبل أن تصل إلى خط الإنتاج.

ويشمل الميدان طائفة من التقنيات، من الحسابات الميكانيكية الكمي التي تكشف عن الهيكل الإلكتروني إلى نماذج العناصر المحدودة التي تنبأ بالفشل الكلي، وكل طريقة لها مواطن القوة والقيود، وكثيرا ما يستخدم نهج متعدد النطاق لالتقاط ظواهر تتراوح بين الاسترقاق الذري والاستجابة الميكانيكية الكبيرة، وسندرس، في الوقت الذي نستكشف فيه، أكثر التقنيات الحسابية بروزا ومساهماتها المحددة في التنمية المستدامة والمتجددة.

التقنيات الحاسوبية الرئيسية

وتشكل عدة منهجيات حاسوبية العمود الفقري لتصميم المواد الحديثة، وكل تقنية تعمل على نطاق محدد، وتوفر معا فهما شاملا للخصائص المادية، وفيما يلي بياننا بالتفصيل النهج الثلاثة الأكثر استخداما في سياق الاستدامة.

نظرية أداء الكثافة

إن نظرية أداء الكثافة هي طريقة ميكانيكية كمية تُحسب الهيكل الإلكتروني للذرات والجزيئات والصلدة، وقد أصبحت مجموعة من علوم المواد الحاسوبية نظراً لتوازنها المفضل بين الدقة والتكاليف الحسابية، وفي البحوث المتعلقة بالمواد المستدامة، تستخدم إدارة الدعم التقني للتنبؤ بالممتلكات الرئيسية مثل الفجوة في النطاقات، والطاقة التكوينية، واستقرار المنهج الآلي، التي تُسترشد بها القرارات.

وعلى سبيل المثال، يمكن لإدارة الدعم الميداني أن تفحص آلاف المواد الحفازة المحتملة لتحويل الكتلة الأحيائية المتجددة إلى مواد كيميائية قيمة، وتحديد تلك التي لها نشاط واختيار مثاليين، كما أنها تساعد في تقييم الجدوى الحرارية لعمليات إعادة التدوير، مثل ردود الفعل المتعددة الصبغة التي تكسر البلاستيك إلى احتكارات، ويمكن للباحثين أن يصمموا حواجز للاختراق ذات طابع نسبي، تشمل عوامل متغيرة.

External link: Nature - DFT applications in materials discovery]

الديناميكية المتحركة

(د) تتعقب محاكاة الديموغرافيات الناموسية تطور الزمن لنظام التفاعل بين الذرات أو الجزيئات من خلال دمج معادلة الحركة الرقمية لـ(نيوتن) وهي قيمة بوجه خاص لدراسة العمليات الدينامية مثل الانتشار، والخصوبة، والتشوه الميكانيكي في النانويكات، وفي تطوير المواد المستدامة، تساعد وزارة الدفاع على فهم مدى تأثير السلاسل المتعددة الزواحف أثناء إعادة التدوير.

فعلى سبيل المثال، يمكن للحركة التقليدية للدماغ في ميادين القوى التفاعلية (مثلاً، ReaxFF) أن تحاكي التحلل الحراري للبلاستيك، وأن تكشف عن درجة الحرارة الجاهزة ومنتجات التحلل، وهذه المعلومات حاسمة في تصميم مواد يمكن إعادة معالجتها عدة مرات دون فقدان كبير للممتلكات، وبالمثل، يمكن للحركة المتعددة الأبعاد أن تُمثل نقل المياه أو الأنزيمات من خلال أفلام قابلة للتحلل الأحيائي، وتشمل شروط القيد في الخدمة

External link: Chemical Reviews - Reactive MD for polymer recycling]

تحليل العناصر النهائية

تحليل العناصر المؤثرة في الموقع هو تقنية مستمرة تقسم مادة أو هيكلا إلى عناصر صغيرة لحل معادلة جزئية مختلفة تصف السلوك الميكانيكي أو الحراري أو السوائل، وتستخدم الوكالة في الهندسة على نطاق واسع للتنبؤ بتوزيع الإجهاد، ووسيلة الفشل، والحياة الدهنية، وبالنسبة للمواد المستدامة، تساعد الوكالة على تحقيق الحد الأمثل من تصميم مكونات الوزن الخفيف للمركبات والرياح، حيث تترجم الوفورات المادية مباشرة إلى التدفق.

ويمكن أن تقيِّم الوكالة السلامة الهيكلية للمركبات المعاد تدويرها التي تحتوي على كميات متغيرة من المحتوى المعاد تدويره، بما يكفل استيفاء معايير السلامة، كما أنها تساعد على تصميم العبوات التي تستخدم الحد الأدنى من المواد في أثناء وجود حمولات نقل، وعندما تقترن بآليات متعددة، يمكن أن تقلل من الحجم المادي اللازم لتطبيق معين، مما يقلل من النفايات، غير أن الوكالة تحتاج إلى نماذج مجمّعة دقيقة تصف السلوك المادي في إطار نماذج التحميل وظروف بيئية متطورة.

External link: Composites Part B - FEA for biocomposites]

تطوير المواد المستدامة

والمواد المستدامة هي تلك التي تقلل إلى أدنى حد من الضرر البيئي طوال دورة حياتها - من استخراج المواد الخام من خلال التصنيع والاستخدام والتخلص أو إعادة التدوير - وتؤدي الأساليب الحاسوبية دورا محوريا في تحديد هذه المواد وتحقيق الحد الأمثل لها عبر قطاعات متعددة، بما في ذلك التغليف والتشييد والإلكترونيات والمنسوجات.

ومن المجالات البارزة تطوير البوليمرات القابلة للتحلل الأحيائي المستمدة من موارد قابلة للتجديد مثل نجوم الذرة أو الخلية أو الطحالب، وباستخدام إدارة الدعم الميداني وإدارة التنمية، يمكن للباحثين التنبؤ بمعدلات تحلل الهيدروجين في التربة أو البيئات البحرية، مما يتيح تصميم المواد التي تتحلل في إطار زمني مرغوب فيه، مثلاً، تعدّل البوليمرات (حامض) أداة بيولوجية مشتركة يمكن أن تعدّل خصائصها المثلى.

وثمة سبيل آخر هو إنشاء مواد مركبة ذات قاعدة بيولوجية تحل محل البلاستيك المستخرج من النفط في تطبيقات السيارات والفضاء الجوي، وهنا تستخدم الوكالة لتمثيل السلوك الميكانيكي للمركبات المركبة المجهزة بالألياف الطبيعية (مثلاً، الكمب الكبدي أو الفلفل المصاحب لمصفوفات الزجاج القطبي الحيوي) في إطار التأثير أو التحميل الدوري.

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي أدوات المحاكاة العملية، التي كثيرا ما تكون مدمجة في برامج تقييم دورة الحياة، إلى نموذج استهلاك الطاقة وانبعاثات مختلف طرق التوليفي، وعلى سبيل المثال، يمكن محاكاة إنتاج رغاوي البوليوريثان من البوليولات الأحيائية للتقليل إلى أدنى حد من انبعاثات المركبات العضوية المتقلبة.() ومن ثم فإن تقنيات التصاميم المتعددة الأبعاد تحدد المفاضلات بين الممتلكات المادية والبيئة().

تصميم المواد القابلة لإعادة التدوير

إن إعادة التدوير هي حجر الزاوية في الاقتصاد الدائري، ومع ذلك فإن العديد من المواد الحالية تفقد الأداء بعد دورة أو دورتين لإعادة التدوير، فالطرق الحاسوبية أساسية لتصميم المواد التي تحافظ على ممتلكاتها من خلال مناسبات متعددة لإعادة المعالجة، وكذلك لتطوير كيميائيات جديدة تتيح إعادة تدويرها بكفاءة.

التصميم من أجل البناء

وتتمثل إحدى الاستراتيجيات في تصميم البوليمرات التي لها سندات مختبرية يمكن أن تُكسر بصورة انتقائية في ظروف معتدلة، ومفهوم يعرف باسم " التصميم على الإنشقاق " ، وباستخدام إدارة الدعم الميداني، يمكن للباحثين أن يفحصوا مختلف السندات المتناظرة الدينامية (مثلاً، الأدوية، وربطات المحترمة، وقواعد التكسير) لتحديد تلك التي تستخدم طاقة التفعيل الأمثل في البوليمر القابل للتك

تحقيق الاستفادة المثلى من عمليات إعادة التدوير

فبعد تصميم المواد، تساعد النماذج الحاسوبية على تحقيق أقصى قدر من عمليات إعادة التدوير نفسها، ويمكن لنماذج العناصر النهائية من الشظايا والمصادرات التنبؤ بتوزيع حجم الجسيمات واستهلاك الطاقة أثناء إعادة التدوير الميكانيكي، وبالنسبة لإعادة التدوير الكيميائي (مثل التحليل البيروفي أو التحلل الرئوي)، يمكن أن تُتوقع من إنتاج وتركيب المنتجات تحت درجات حرارة وحوافز متفاوتة.

ويمكن أن تشير نماذج التعلم في مجال الآلات التي تم تدريبها على مجموعات البيانات الكبيرة من البوليمرات ونتائج إعادة تدويرها بسرعة إلى تركيبات جديدة توازن القوة الميكانيكية مع سهولة إعادة التدوير، فعلى سبيل المثال، استخدمت دراسة حديثة شبكات الجرافات العصبية للتنبؤ بمؤشر درجة الحرارة في التحول الزجاجي وتدفق الذبابة من الخلايا المتعددة الكربونات المعاد تدويرها، ومساعدة المركبين على صياغة مواد ثانوية ذات جودة متسقة، وهذه الأدوات قيمة مع تحركات الصناعة نحو معدلات إعادة تدوير أعلى وأنظمة أكثر صرامة.

دراسات حالة في مجال استدامة المواد الحاسوبية

Biodegradable Starch-Based Plastics

إن ستارتش هو وفرة، وثبطة بيولوجية غير مكلفة، ولكن خصائصها الميكانيكية السيئة تحد من تطبيقه، وباستخدام محاكاة وزارة الدفاع، استكشف الباحثون إضافة مواد بلاستيكية مثل الغليسيسول وأثر محتوى الرطوبة على قوة التركة المتوترة للنجم، ومن خلال محاكاة شبكة سندات الهيدروجين ضمن خلائط السعة المضية للجوع، تم تحديد التكوين الأمثل للتنبؤات التي تحسنت بشكل كبير في الوقت نفسه.

بدائل ملموسة للكربون - الحياد

وتمثل صناعة الأسمنت نحو 8 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في العالم، وقد كان للنموذج الحاسوبي دور فعال في وضع بدائل محددة منخفضة الكربون، مثل البوليمرات الأرضية والمواد التي تعمل بالآلات الكهولية، حيث قام العلماء، باستخدام هذه المادة، بدراسة إعادة النشاط لمختلف سلائف السلالات ذات السمعة الخريجية (مثل الرماد الذبابي، والرق) في بيئات الألكلينية، مما يُتوقع أن تكون هناك مرحلات ذات قوة.

الآفاق المستقبلية

ومستقبل تطوير المواد المستدامة يكمن في تقارب الأساليب الحاسوبية مع الاستخبارات الاصطناعية، والتجارب العالية المخرجات، والتشغيل الآلي، ويمكن أن تُسجّل الخوارزميات التعليمية، ولا سيما نماذج التعلم العميق والسخاء، الأماكن الكيميائية التي تزيد ببلايين المرات عن الحدس البشري، وعلى سبيل المثال، استخدمت أجهزة التكوين الايكولوجية المختلفة لتوليد هياكل جديدة متعددة الأليمرات ذات درجات حرارة عالية من التحول الزجاجي ومعدلات التدهور.

وعلاوة على ذلك، فإن إدماج الأدوات الحاسوبية في إدارة دورة حياة المنتجات سيمكن من رصد الاستدامة المادية في الوقت الحقيقي وتحقيق الحد الأمثل لها، ويمكن للتوأم الرقمي لعمليات التصنيع أن يحفز أثر تغيرات المواد الوسيطة المعاد تدويرها على جودة المنتجات النهائية، مما يتيح إجراء تعديلات دينامية، ويصبح ذلك أمرا بالغ الأهمية لأن مسارات إعادة التدوير تصبح أكثر تعقيدا وتنوعا، بالإضافة إلى أن قواعد البيانات المفتوحة المصدر مثل مشروع المواد الكيميائية ونماذج الجيل البوليمتر توفر البيانات اللازمة للتدريب.

ورغم هذه التطورات، لا تزال هناك تحديات، فالنموذج المتعدد النطاق الذي يربط دون هوادة بين السلوكيات التقليدية والسلوك الكلي لا يزال يشكل حدوداً نشطة للبحث، وتتوقف دقة التنبؤات على نوعية النماذج والبيانات المادية الأساسية، وفي حين أن التكاليف الحاسوبية، لا تزال باهظة بالنسبة لنظم واسعة جداً أو لجداول زمنية طويلة، كما أن هناك حاجة إلى قياسات موحدة للاستدامة يمكن إدماجها في أطر الحياة المثلى.

وفي الختام، يمثل تطبيق الأساليب الحاسوبية لتطوير مواد مستدامة وقابلة لإعادة التدوير أحد أكثر السبل واعدة للتصدي للتحديات البيئية الملحة، ومن النظرية الوظيفية الكثيفة إلى التعلم الآلي، فإن هذه الأدوات تمكن الباحثين من إيجاد مواد لا تعمل فحسب بل تكون حميدة أيضا للكوكب، وبما أن المجتمع العالمي يكثف جهوده لمكافحة تغير المناخ واستنفاد الموارد، فإن دور المواد الحاسوبية يصبح أكثر دواما.