وسط مسامي

في علم المواد ، يُعرَّف الوسط المسامي أو المادة المسامية بأنها مادة تحتوي على مسامات (فراغات). ^{[ 1 ]} يُطلق على الجزء الهيكلي من المادة غالبًا اسم "المصفوفة" أو "الإطار". عادةً ما تكون المسامات مملوءة بسائل ( سائل أو غاز ) . عادةً ما تكون المادة الهيكلية صلبة ، ولكن يمكن أيضًا تحليل هياكل مثل الرغوة باستخدام مفهوم الوسط المسامي. ^{[ 2 ]}

تُعرف الأوساط المسامية في أغلب الأحيان بمساميتها . ويمكن أحيانًا استنتاج خصائص أخرى للوسط (مثل النفاذية ، وقوة الشد ، والتوصيل الكهربائي ، والتعرج ) من الخصائص الخاصة بمكوناته (المادة الصلبة والسائلة) ومسامية الوسط وبنية مسامه، إلا أن هذا الاستنتاج عادةً ما يكون معقدًا. ^{[ 3 ]} حتى مفهوم المسامية نفسه لا يكون واضحًا إلا في حالة الأوساط المرنة المسامية.

غالباً ما تكون كل من المادة الصلبة وشبكة المسام (المعروفة أيضاً باسم الفراغ المسامي) متصلة، لتشكيل وسطين متداخلين كما هو الحال في الإسفنج . ومع ذلك، يوجد أيضاً مفهوم المسامية المغلقة والمسامية الفعالة ، أي الفراغ المسامي المتاح للتدفق.

يمكن اعتبار العديد من المواد الطبيعية ، مثل الصخور والتربة ( كالخزانات الجوفية ومكامن النفط )، والزيوليت ، والأنسجة البيولوجية (كالعظام والخشب والفلين )، والمواد المصنعة كالأسمنت والسيراميك ، أوساطًا مسامية. ولا يمكن تفسير العديد من خصائصها المهمة إلا من خلال اعتبارها أوساطًا مسامية.

يُستخدم مفهوم الأوساط المسامية في العديد من مجالات العلوم التطبيقية والهندسة، منها: الترشيح ، والميكانيكا ( علم الصوتيات ، والميكانيكا الجيولوجية ، وميكانيكا التربة ، وميكانيكا الصخور )، والهندسة ( هندسة البترول ، والمعالجة الحيوية ، وهندسة الإنشاءات )، وعلوم الأرض ( الهيدروجيولوجيا ، وجيولوجيا البترول ، والجيوفيزياء ) ، وعلم الأحياء والفيزياء الحيوية ، وعلم المواد . ^ومن أهم مجالات التطبيق الحالية للمواد المسامية تحويل الطاقة ^{وتخزينها} ، حيث تُعدّ ^هذه المواد أساسية للمكثفات الفائقة، والحفز ^الضوئي ، ^وخلايا الوقود ، ^{والبطاريات} .

يمكن تصنيف الأوساط المسامية على المستويين المجهري والعياني. فعلى المستوى المجهري، يُعبَّر عن البنية إحصائيًا بتوزيع أحجام المسام، ودرجة ترابطها واتجاهها، ونسبة المسام غير النشطة، وما إلى ذلك. ^{[ 6 ]} أما التقنية العيانية فتعتمد على خصائص المادة الكلية التي تم حساب متوسطها على نطاقات أكبر بكثير من حجم المسام. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

بحسب الهدف، تُستخدم هاتان التقنيتان بشكل متكرر نظرًا لتكاملهما. من الواضح أن الوصف المجهري ضروري لفهم ظواهر السطح مثل امتزاز الجزيئات الكبيرة من محاليل البوليمر وانسداد المسام، بينما يكون النهج الماكروي كافيًا في كثير من الأحيان لتصميم العمليات حيث يكون تدفق السوائل وانتقال الحرارة والكتلة من أهم الاعتبارات، وتكون الأبعاد الجزيئية أصغر بكثير من حجم مسام النظام المسامي. ^{[ 6 ] [ 8 ]}

يُعدّ تدفق السوائل عبر الأوساط المسامية موضوعًا ذا أهمية بالغة، وقد برز كمجال دراسي مستقل. ويُطلق على دراسة السلوك العام للأوساط المسامية، بما في ذلك تشوه الهيكل الصلب، اسم ميكانيكا المسامية .

تُستخدم نظرية التدفقات المسامية في تقنيات الطباعة النفاثة للحبر ^{[ 9 ]} والتخلص من النفايات النووية ^{[ 10 ] ، من بين أمور أخرى.}

تؤثر عوامل عديدة على تدفق السوائل في الأوساط المسامية، ووظيفتها الأساسية هي استهلاك الطاقة وإنتاج السوائل عبر البئر. في ميكانيكا التدفق عبر الأوساط المسامية، تُعدّ العلاقة بين الطاقة ومعدل التدفق أهمّ المسائل. القانون الأساسي الذي يصف هذه العلاقة هو قانون دارسي ^{[ 11 ]} ، وهو ينطبق بشكل خاص على الأوساط المسامية الدقيقة. في المقابل، يُستخدم قانون فورشهايمر في سياق الأوساط المسامية الخشنة ^{[ 12 ] .}

تمثيل طور الفراغ الموجود داخل المواد المسامية باستخدام مجموعة أو شبكة من المسام. وهو بمثابة أساس هيكلي للتنبؤ بمعاملات النقل ويستخدم في سياق توصيف بنية المسام. ^{[ 13 ]}

توجد العديد من النماذج المثالية لبنية المسام. ويمكن تقسيمها بشكل عام إلى ثلاث فئات:

• شبكات الشعيرات الدموية
• مصفوفات من الجسيمات الصلبة (على سبيل المثال، مجموعة عشوائية متراصة من الكرات)
• ثلاثي الأنماط

غالبًا ما تتميز المواد المسامية ببنية شبيهة بالكسور الهندسية ، حيث تبدو مساحة سطح مسامها وكأنها تنمو بلا حدود عند رؤيتها بدقة متزايدة تدريجيًا. ^{[ 14 ]} رياضيًا، يُوصف هذا بتخصيص بُعد هاوسدورف لسطح المسام أكبر من 2. ^{[ 15 ]} تشمل الطرق التجريبية لدراسة بنى المسام المجهر متحد البؤر ^{[ 16 ]} والتصوير المقطعي بالأشعة السينية . ^{[ 17 ]} وقد وجدت المواد المسامية تطبيقات في العديد من المجالات الهندسية، بما في ذلك قطاع السيارات. ^{[ 18 ]}

يُعد قانون موراي المعمم أحد القوانين التي تحكم المواد المسامية . ويستند هذا القانون إلى تحسين انتقال الكتلة عن طريق تقليل مقاومة النقل في المسام ذات الحجم المحدد، ويمكن تطبيقه لتحسين انتقال الكتلة الذي يتضمن تغيرات في الكتلة والتفاعلات الكيميائية التي تشمل عمليات التدفق، وانتشار الجزيئات أو الأيونات. ^{[ 19 ]}

لربط أنبوب رئيسي بنصف قطر r ₀ بالعديد من الأنابيب الفرعية بنصف قطر r _i ، فإن صيغة قانون موراي المعمم هي:${\displaystyle r_{o}^{a}={1 \over 1-X}\sum _{i=1}^{N}r_{i}^{a}}$حيث يمثل X نسبة تغير الكتلة أثناء انتقال الكتلة في المسام الأصلية، ويعتمد الأس α على نوع الانتقال. ففي حالة التدفق الصفائحي α = 3، وفي حالة التدفق المضطرب α = 7/3، وفي حالة انتشار الجزيئات أو الأيونات α = 2، وهكذا.

• سينوسيل
• المواد النانوية المسامية
• الرنين المغناطيسي النووي في الأوساط المسامية
• نظرية الترشيح
• عتبة الترشيح
• رغوة شبكية
• الترشيح
• ميكانيكا المسام
• النقل التفاعلي
• نفاذية
• مسام كبيرة

• ج. بير؛ (1972) ديناميكيات السوائل في الأوساط المسامية. (إلسيفير، نيويورك)

• تعريف النفاذية
• تصميم الوسائط المسامية للتحكم في النفاذية
• تمثيل بياني لمعدلات التدفق المختلفة عبر مواد ذات نفاذية متباينة
• أساسيات تدفق السوائل في الأوساط المسامية