أسطح ما وراء البلازمونية المعتمدة على الطاقة الشمسية لتحقيق خاصية طرد الجليد: استراتيجية سلبية لمنع التجمّد

2.1 تصميم السطح ما وراء البلازموني

يتكون السطح ما وراء البلازموني من غشاء رقيق مركب يحتوي على جسيمات نانوية من الذهب (Au NP) مضمنة داخل مصفوفة عازلة من ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂). هذا التصميم ليس عشوائياً؛ فهو يستفيد من ظاهرة الرنين البلازموني لجسيمات المعادن النبيلة النانوية. عند تعرضها لأشعة الشمس، تتذبذب الإلكترونات الموصلة في جسيمات الذهب النانوية بشكل جماعي، وهي ظاهرة تُعرف باسم رنين البلازمون السطحي الموضعي (LSPR). يمكن ضبط هذا الرنين عبر طيف الشمس عن طريق تعديل حجم الجسيمات النانوية وشكلها والبيئة العازلة المحيطة بها (TiO₂). تؤدي مصفوفة ثاني أكسيد التيتانيوم غرضاً مزدوجاً: فهي تحمي الجسيمات النانوية، وبسبب معامل انكسارها العالي، تعزز المجال الكهرومغناطيسي المحيط بالجسيمات النانوية، مما يعزز الامتصاص.

2.2 آلية امتصاص الطاقة الشمسية

يُمكّن رنين البلازمون السطحي الموضعي المصمم هندسياً من امتصاص واسع النطاق للإشعاع الشمسي. والأهم من ذلك، يتم تحويل طاقة الفوتون الممتصة بسرعة إلى حرارة عبر مسارات اضمحلال غير إشعاعية (تبعثر الإلكترون-فونون) داخل حجم الطلاء فائق الرقة. تركز هذه العملية الطاقة الحرارية في منطقة متناهية الصغر عند السطح، مما يخلق "نقطة ساخنة" موضعية تماماً حيث يبدأ تكون نوى الجليد. يتم تحقيق التوازن بين الشفافية البصرية (المطلوبة لتطبيقات مثل الزجاج الأمامي) وامتصاص الضوء (المطلوب للتسخين) من خلال التصميم العقلاني لكثافة الجسيمات النانوية وتوزيعها. تسمح الجسيمات النانوية المتناثرة جيداً بمرور الضوء مع توفير امتصاص جماعي كافٍ للتسخين الفعال.

3.1 الأداء الحراري وزيادة درجة الحرارة

تحت إضاءة شمسية محاكاة (شدة شمسية واحدة، طيف AM 1.5G)، أظهر السطح ما وراء البلازموني زيادة مستمرة في درجة الحرارة تبلغ أكثر من 10 درجات مئوية فوق درجة الحرارة المحيطة عند السطح البيني بين الهواء والطلاء. هذا عتبة حرجة، حيث يمكنها إزاحة التوازن الديناميكي الحراري بشكل كبير، مما يؤخر بدء تجمد قطرات الماء فائقة البرودة. ستعرض التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (كاقتراح للتصور) سطح الطلاء على أنه أكثر دفئاً بوضوح من ركيزة زجاجية غير مطلية تحت نفس ظروف الإضاءة.

3.2 تقليل التصاق الجليد ومنع الصقيع

يترجم التسخين الموضعي مباشرة إلى أداء فائق في طرد الجليد:

• إزالة الجليد: تم تقليل قوة التصاق الجليد إلى "مستويات ضئيلة". يخلق التسخين السطحي البيني طبقة رقيقة شبه سائلة عند السطح البيني بين الجليد والطلاء، مما يخفض بشكل كبير قوة القص المطلوبة لإزالة الجليد.
• منع التجمّد: منع السطح بشكل فعال تكون الصقيع. من خلال الحفاظ على درجة حرارة السطح البيني فوق نقطة الندى أو عن طريق تسريع تبخر القطرات الدقيقة قبل أن تتجمد، يتم منع تراكم الصقيع.
• تأخير التجمد: تم تمديد الوقت اللازم لتجمد قطرة ماء فائقة البرودة على السطح ما وراء البلازموني بشكل كبير مقارنة بالأسطح المرجعية.

4.1 النموذج الرياضي والصيغ الأساسية

يعتمد الأداء على التوازن بين الطاقة الشمسية الممتصة وفقدان الحرارة. يمكن التعبير عن توازن الطاقة الثابت المبسط عند السطح على النحو التالي:

$P_{absorbed} = A \cdot I_{solar} \cdot \alpha(\lambda) = Q_{conv} + Q_{rad} + Q_{cond}$

حيث:
$P_{absorbed}$ هي الطاقة الشمسية الكلية الممتصة.
$A$ هي المساحة المعرضة للضوء.
$I_{solar}$ هي شدة الإشعاع الشمسي.
$\alpha(\lambda)$ هو معامل الامتصاص المعتمد على الطول الموجي للسطح ما وراء البلازموني، المصمم هندسياً عبر رنين البلازمون السطحي الموضعي.
$Q_{conv}$, $Q_{rad}$, $Q_{cond}$ تمثل فقدان الحرارة عبر الحمل والإشعاع والتوصيل إلى الركيزة، على التوالي.

تخضع زيادة درجة الحرارة الثابتة الناتجة $\Delta T$ للقوة الصافية والخصائص الحرارية للنظام. معامل الامتصاص $\alpha(\lambda)$ هو المعامل المصمم هندسياً الحرج، والمشتق من السماحية الفعالة للمادة المركبة، وغالباً ما يتم نمذجته باستخدام نظرية الوسط الفعال لماكسويل-غارنيت للجسيمات الكروية المضمنة:

$\frac{\epsilon_{eff} - \epsilon_m}{\epsilon_{eff} + 2\epsilon_m} = f \frac{\epsilon_{NP} - \epsilon_m}{\epsilon_{NP} + 2\epsilon_m}$

حيث $\epsilon_{eff}$, $\epsilon_m$, و $\epsilon_{NP}$ هي السماحيات للوسط الفعال، ومصفوفة ثاني أكسيد التيتانيوم، وجسيم الذهب النانوي، على التوالي، و $f$ هو الكسر الحجمي للجسيمات النانوية.

4.2 إطار التحليل: المقايضة بين الشفافية والامتصاص

يتطلب تقييم مثل هذه التقنيات إطار عمل متعدد المعايير. بالنسبة لسطح شفاف يسخن بالشمس وطارد للجليد، يجب علينا تحليل حد باريتو بين مؤشرين رئيسيين للأداء (KPIs):

1. مؤشر الأداء الرئيسي 1: نفاذية الضوء المرئي (VLT, %): تُقاس عبر نطاق 380-750 نانومتر. ضرورية لتطبيقات مثل النوافذ والزجاج الأمامي.
2. مؤشر الأداء الرئيسي 2: كفاءة التحويل الشمسي-حراري (STCE, %): نسبة الطاقة الشمسية الساقطة المحولة إلى طاقة تسخين سطحية بينية قابلة للاستخدام.

مثال توضيحي: قد يحقق تصميم ذو كسر حجمي منخفض (f) لجسيمات ذهب نانوية صغيرة ومتناثرة جيداً نفاذية عالية للضوء المرئي (مثلاً 80%) ولكن كفاءة تحويل شمسي-حراري أقل (مثلاً 15%)، مما يؤدي إلى زيادة متواضعة في درجة الحرارة $\Delta T$ تبلغ 5°C. على العكس من ذلك، فإن زيادة f أو استخدام جسيمات نانوية أكبر يزيد من كفاءة التحويل الشمسي-حراري (مثلاً 40%) ولكنه يبعثر المزيد من الضوء، مما يخفض نفاذية الضوء المرئي إلى 50%، مع تحقيق $\Delta T$ >15°C. تعتمد النقطة "المثلى" على هذا الحد على التطبيق. قد تعطي نافذة قمرة قيادة الطائرة الأولوية لنفاذية ضوء مرئي >70% مع تسخين معتدل، بينما قد تضحي غطاء اللوح الشمسي ببعض الشفافية للحصول على أقصى قوة لإزالة الجليد (كفاءة تحويل شمسي-حراري >35%). يجبر هذا الإطار على الانتقال من مقياس واحد ويمكن التصميم المستهدف.