سائل كهرو-ريولوجي

الموائع الكهروانسيابية ( ER ) عبارة عن معلقات من جسيمات دقيقة للغاية غير موصلة ولكنها نشطة كهربائيًا (يصل قطرها إلى 50 ميكرومترًا ) في سائل عازل كهربائيًا . تتغير اللزوجة الظاهرية لهذه الموائع بشكل عكسي بمقدار يصل إلى 100,000 استجابةً للمجال الكهربائي . على سبيل المثال، يمكن لسائل كهروانسيابي نموذجي أن ينتقل من قوام السائل إلى قوام الهلام ، ثم يعود إلى حالته الأصلية، وذلك في غضون أجزاء من الثانية . ^{[ 1 ]} يُطلق على هذا التأثير أحيانًا اسم تأثير وينسلو نسبةً إلى مكتشفه، المخترع الأمريكي ويليس وينسلو، الذي حصل على براءة اختراع أمريكية لهذا التأثير عام 1947 ^{[ 2 ]} ونشر مقالًا عنه عام 1949. ^{[ 3 ]}

يعتمد التغير في اللزوجة الظاهرية على المجال الكهربائي المُطبق ، أي الجهد الكهربائي مقسومًا على المسافة بين الصفيحتين. هذا التغير ليس مجرد تغير بسيط في اللزوجة ، ولذلك تُعرف هذه السوائل الآن باسم السوائل الكهروإجهادية، بدلًا من المصطلح القديم "السوائل اللزجة كهربائيًا". يُوصف هذا التأثير بشكل أدق بأنه إجهاد خضوع قصي يعتمد على المجال الكهربائي . عند تنشيطه، يتصرف السائل الكهروإجهادي كبلاستيك بينغهام (نوع من المواد اللزجة المرنة )، وله نقطة خضوع تُحددها شدة المجال الكهربائي. بعد بلوغ نقطة الخضوع، يخضع السائل للقص كأي سائل عادي ، أي أن إجهاد القص المتزايد يتناسب طرديًا مع معدل القص (في السوائل النيوتونية، لا توجد نقطة خضوع، ويكون الإجهاد متناسبًا طرديًا مع القص). وبالتالي، يمكن التحكم في مقاومة حركة السائل عن طريق ضبط المجال الكهربائي المُطبق.

سوائل الاستجابة الكهربائية هي نوع من السوائل الذكية . يمكن صنع سائل استجابة كهربائية بسيط عن طريق خلط دقيق الذرة في زيت نباتي خفيف أو (الأفضل) زيت السيليكون .

هناك نظريتان رئيسيتان لتفسير هذه الظاهرة: نظرية التوتر السطحي أو "جسر الماء" ^{[ 4 ]} ، والنظرية الكهروستاتيكية . تفترض نظرية جسر الماء نظامًا ثلاثي الأطوار، حيث تحتوي الجسيمات على طور ثالث عبارة عن سائل آخر (مثل الماء) غير قابل للامتزاج مع سائل الطور الرئيسي (مثل الزيت). في غياب مجال كهربائي مطبق، ينجذب الطور الثالث بقوة إلى الجسيمات ويبقى محصورًا داخلها. هذا يعني أن سائل ER عبارة عن معلق من الجسيمات، يتصرف كسائل. عند تطبيق مجال كهربائي، يندفع الطور الثالث إلى جانب واحد من الجسيمات بفعل الخاصية الأسموزية الكهربائية ، ويربط الجسيمات المتجاورة معًا لتشكيل سلاسل. هذا التركيب السلسلي يعني أن سائل ER قد تحول إلى مادة صلبة. تفترض النظرية الكهروستاتيكية نظامًا ثنائي الأطوار فقط، حيث تشكل الجسيمات العازلة سلاسل متراصفة مع المجال الكهربائي بطريقة مماثلة لكيفية عمل الموائع المغناطيسية الانسيابية (MR). تم بناء سائل ER باستخدام طور صلب مصنوع من موصل مغطى بمادة عازلة ^{[ 5 ]} . من الواضح أن هذا السائل لا يمكن أن يعمل وفقًا لنموذج جسر الماء. مع ذلك، ورغم إثبات أن بعض السوائل الكهروستاتيكية تعمل بالتأثير الكهروستاتيكي، إلا أن ذلك لا يثبت أن جميعها تعمل بهذه الطريقة. تكمن ميزة السائل الكهروستاتيكي في التخلص من تيار التسريب، أي أنه من المحتمل عدم وجود تيار مستمر . وبطبيعة الحال، بما أن الأجهزة الكهروستاتيكية تتصرف كهربائيًا كمكثفات ، ولأن الميزة الرئيسية للتأثير الكهروستاتيكي هي سرعة الاستجابة، فمن المتوقع وجود تيار متردد .

الجسيمات نشطة كهربائيًا. قد تكون كهروإجهادية ، أو كما ذُكر سابقًا، مصنوعة من مادة موصلة مغلفة بمادة عازلة ، أو جسيمات نشطة كهروأسموزية. في حالة المواد الكهروإجهادية أو الموصلة، تتميز الجسيمات بثابت عزل كهربائي عالٍ . قد يختلط الأمر هنا بشأن ثابت العزل الكهربائي للموصل ، ولكن "إذا وُضعت مادة ذات ثابت عزل كهربائي عالٍ في مجال كهربائي، فإن شدة هذا المجال ستنخفض بشكل ملحوظ داخل حجم المادة العازلة" (انظر الصفحة الرئيسية: ثابت العزل الكهربائي )، وبما أن المجال الكهربائي يساوي صفرًا في الموصل المثالي، فإن ثابت العزل الكهربائي للموصل في هذا السياق يكون لانهائيًا.

من العوامل الأخرى المؤثرة على تأثير الاستقطاب الكهربائي هندسة الأقطاب الكهربائية . فقد أظهر استخدام أقطاب كهربائية ذات أخاديد متوازية زيادة طفيفة في تأثير الاستقطاب الكهربائي، بينما ضاعفت الأقطاب ذات الأخاديد المتعامدة هذا التأثير. ^{[ 6 ]} ويمكن الحصول على زيادة أكبر بكثير في تأثير الاستقطاب الكهربائي بتغطية الأقطاب الكهربائية بمواد قابلة للاستقطاب الكهربائي. وهذا يحوّل العيب المعتاد للاستقطاب الكهربائي إلى ميزة مفيدة، كما أنه يقلل من تيارات التسرب في سائل الاستقطاب الكهربائي. ^{[ 7 ]}

تم اكتشاف سائل الانسيابية الكهربائية العملاق (GER) عام 2003، ^{[ 8 ]} وهو قادر على تحمل مقاومة خضوع أعلى من العديد من سوائل الانسيابية الكهربائية الأخرى. يتكون سائل GER من جسيمات نانوية من أكسالات الباريوم والتيتانيوم مغلفة باليوريا ، معلقة في زيت السيليكون . تعود مقاومة الخضوع العالية إلى ثابت العزل الكهربائي العالي للجسيمات، وصغر حجمها، وطبقة اليوريا . ومن مزايا GER الأخرى أن العلاقة بين شدة المجال الكهربائي ومقاومة الخضوع خطية بعد أن يصل المجال الكهربائي إلى 1 كيلو فولت/مم. يتميز سائل GER بمقاومة خضوع عالية، ولكنه يتميز بشدة مجال كهربائي منخفضة وكثافة تيار منخفضة مقارنةً بالعديد من سوائل الانسيابية الكهربائية الأخرى. يرد وصف طريقة تحضير المعلق في ^{[ 8 ]} . يُعد استخدام حمض الأكساليك في تحضير الجسيمات مصدر قلق رئيسي، كونه حمضًا عضويًا قويًا .

يُستخدم سائل ER عادةً في الصمامات الهيدروليكية سريعة الاستجابة ^{[ 9 ]} والقوابض ، حيث تكون المسافة بين الصفائح في حدود 1 مم والجهد  المطبق في حدود 1 كيلو فولت. ببساطة، عند تطبيق المجال الكهربائي، يُغلق صمام ER الهيدروليكي أو تُقفل صفائح قابض ER معًا، وعند إزالة المجال الكهربائي، يُفتح صمام ER الهيدروليكي أو تُفصل صفائح القابض. ومن التطبيقات الشائعة الأخرى مكابح ER ^{[ 10 ]} (يمكن اعتبار المكابح بمثابة قابض مثبت من جانب واحد) وممتصات الصدمات ^{[ 11 ]} (التي يمكن اعتبارها أنظمة هيدروليكية مغلقة حيث تُستخدم الصدمة لمحاولة ضخ السائل عبر الصمام).

توجد استخدامات جديدة عديدة لهذه السوائل. ومن بين الاستخدامات المحتملة التلميع الكاشط الدقيق ^{[ 12 ]} ووحدات التحكم اللمسية وشاشات العرض اللمسية. ^{[ 13 ]}

وقد اقتُرح أيضًا استخدام سائل ER في تطبيقات محتملة للإلكترونيات المرنة ، حيث يُدمج هذا السائل في عناصر مثل الشاشات ولوحات المفاتيح القابلة للطي، إذ تسمح خصائص تغيير لزوجته لهذه العناصر بأن تصبح صلبة للاستخدام، ومرنة للطي والانكماش للتخزين عند عدم الاستخدام. وقدّمت شركة موتورولا طلب براءة اختراع لتطبيقات الأجهزة المحمولة في عام 2006. ^{[ 14 ]}

تتمثل إحدى المشكلات الرئيسية في أن السوائل الكهروإجهادية عبارة عن معلقات، وبالتالي تميل إلى الترسيب مع مرور الوقت. لذا، تعالج السوائل الكهروإجهادية المتقدمة هذه المشكلة بوسائل مثل مطابقة كثافة المكونات الصلبة والسائلة، أو باستخدام الجسيمات النانوية، مما يجعلها متوافقة مع تطور السوائل المغناطيسية الانسيابية . مشكلة أخرى هي أن جهد انهيار الهواء يبلغ حوالي 3 كيلو فولت/مم، وهو قريب من المجال الكهربائي اللازم لتشغيل الأجهزة الكهروإجهادية.

تتمثل إحدى مزايا جهاز الاستجابة الكهربائية في قدرته على التحكم في طاقة ميكانيكية أكبر بكثير من الطاقة الكهربائية المستخدمة للتحكم في التأثير، أي أنه يعمل كمضخم طاقة. لكن الميزة الرئيسية تكمن في سرعة الاستجابة. فقلما نجد تأثيرات أخرى قادرة على التحكم في هذه الكميات الكبيرة من الطاقة الميكانيكية أو الهيدروليكية بهذه السرعة.

لسوء الحظ، فإن الزيادة في اللزوجة الظاهرية التي تشهدها معظم السوائل الكهروانسيابية المستخدمة في أنماط القص أو التدفق محدودة نسبيًا. يتحول السائل الكهروانسيابي من سائل نيوتوني إلى "مادة شبه صلبة" شبه بلورية. مع ذلك، يمكن الحصول على تحول طوري شبه كامل من سائل إلى صلب عند تعرض السائل الكهروانسيابي لإجهاد انضغاطي إضافي. ^{[ 15 ]} وقد استُخدم هذا التأثير لتوفير شاشات عرض كهروانسيابية بطريقة برايل ^{[ 16 ]} وقوابض فعالة للغاية. ^{[ 17 ]}

• ميكانيكا الأوساط المتصلة
• تأثير ديبي-فالكنهاجن
• البوليمرات الكهروفعالة
• الالتصاق الكهربائي
• التأثيرات الكهرولزجة
• المائع المغناطيسي
• ميكانيكا الموائع
• سائل مغناطيسي انسيابي
• الترطيب الكهربائي
• سائل ذكي