المجلة العلمية اهرام مجلة مستقلة تحت إشراف هاني سلام
مقالات مشابهة
د/ صلاح حامد رمضان علي
أستاذ هندسة الدقة، المعهد القومي للقياس والمعايرة، الجيزة، مصر
ووكيل المعهد العالي للهندسة والتكنولوجيا، 6 أكتوبر، الجيزة، مصر
SalahAli20@yahoo.com
تعاود مصر الإهتمام بتوطين صناعة السيارات لإتاحة فرص عمل مستدامة للشباب وتوفير العملات الصعبة لدعم الاقتصاد الوطني. صناعة السيارات تعتبر قاطرة الاقتصاد العالمي بفضل الصناعات المغذية لها، لا سيما مع تزايد استخدام المكونات القائمة على البوليمرات. تلعب البوليمرات إلى جانب الأتمتة والميكاترونيات وعلوم المواد، دورا أساسياً في التقدم الصناعي بمختلف علوم الحياة.1-2 تستكشف المقالة تطور الكيمياء عبر العصور، ودور البوليمرات في تصميم وتصنيع العديد من مكونات السيارات الحديثة، والمستقبل الواعد لصناعة السيارات.
في العصور القديمة: نشأ الإنسان الحديث في أفريقيا منذ آلاف السنين، حيث كان يلقي قطع الحجارة الصغيرة في النار ويتأمل تغيرات الألـوان الناتجة عن ذلك، ومن ثم إستخدامها في حياته البدائية. فمنذ أكثر من 3000 عام قبل الميلاد، نشأت الحضارة المصرية القديمة “الفرعونية” على ضفاف وادي النيل. ووفق فكرة تكريم الموتى أو الخلود والحياة بعد الموت، خاصة إذا كانوا من النبلاء أو المسؤولين المحبوبين لدى الشعب، أستخدم الفراعنة لفائف وخيوط الكتان لتعيش حتى الأن بفضل المعاملات الكيمائية لها وكذلك كيمياء التحنيط التي مازالت سراً حتى الآن. حيث يعتقد بعض علماء المصريات حديثاً أنها كانت تعتمد على كيمياء الأصماغ الطبيعية وزيوت ومستخلصات نباتية عطرية نتيجة التحليل المجهري والكربون المشع المبنى على فحص البصمة الكيميائية لكل عنصر من عناصر المكون التحنيطي، والذي اعتبرة العلماء فرصة فريدة لدراسة الكيمياء المصرية القديمة غير الملوثة.
في العصر الحديث: يُعتبر الموسوعة جابر بن حيان أبا الكيمياء الحديثة، حيث كان أول من سجل التجارب والمشاهدات الكيمائية وتفسيرها. ساهمت أبحاثه مجموعة واسعة من المواضيع وتُرجمت إلى اليونانية، لتصبح أول مرجع موثوق، واضعةً أسس علم الكيمياء في القرن الثامن الميلادي. شهد مسار الكيمياء أول اختراق في فجر الثورات الصناعية. خلال الثورة الصناعية الأولى في أواخر القرن الثامن عشر وأوائل القرن التاسع عشر، ساعدت شخصيات بارزة مثل جوزيف بريستلي وأنطوان لافوازييه وروبرت بويل في تأسيس الكيمياء الحديثة. ومع ذلك، لم تتبلور الهندسة الكيميائية كتخصص مستقل حتى الثورة الصناعية الثانية (أواخر القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين). ركزت التطورات المبكرة خلال هذه الحقبة على تصنيع العمليات الكيميائية، بما في ذلك إنتاج الأصباغ الاصطناعية، مما حفز التطور السريع لأنظمة طلاء السيارات. وذلك عندما أدرك الكيميائيون إمكانية تصنيع جزيئات طويلة السلسلة – البوليمرات – من مونومرات بسيطة. في عام 1920 اقترح الكيميائي الألماني هيرمان شتاودينغر مفهوم الجزيئات الكبيرة، ممهداً الطريق لعلم البوليمرات الحديث.3 وبالتالي، يمكن القول إن علم البوليمرات بدأ كمجال جديد في أوائل القرن العشرين، مع ظهور العديد من الشخصيات البارزة، بما في ذلك والاس كاروثرز، الذي اخترع النايلون عام 1935 وأوتو باير، الذي اخترع البولي يوريثان في النصف الثاني من ثلاثينيات القرن العشرين، ممهداً الطريق لإنتاج أنواع مميزة من المواد البوليمرية.4 يُصنع البلاستيك والمطاط من نفس عائلة مُركبات البوليمر. تبع ذلك سلسلة من المساهمات المهمة من علماء مثل والاس كاروثرز، الذي طور النايلون، وجون ويسلي هايات، الذي اخترع الباكليت – أول بلاستيك صناعي. وبحلول نهاية القرن العشرين، واصل المهندسون الكيميائيون تطوير مركبات البوليمر، مع ظهور مواد جديدة أقوى وأخف وزناً وأكثر تنوعاً من المواد التقليدية، لتحل محل المعادن والزجاج. بفضل الابتكارات في كيمياء البوليمرات، مثل اختراع جوليو ناتا للبولي بروبيلين وتطوير البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، أصبح ذلك ممكناً.5 وقد فاز العديد من العلماء بجائزة نوبل في الكيمياء لتخليق وتحسين البوليمرات، ومنهم هيرمان ستاودينغر عام 1953 الذي أثبت تجريبياً أن البوليمرات جزيئات طويلة. كما مُنح جوليو ناتا وكارل زيجلر الجائزة عام 1963 لتجاربهما في تطوير محفز زيجلر-ناتا المستخدم في تخليق البوليمرات. أما إنجازات أحمد زويل، التي نال عنها جائزة نوبل في كيمياء الفيمتوثانية عام 1999 فقد فتحت آفاقاً جديدة لفهم التفاعلات الكيميائية على المستوى الذري للمواد، مما سهّل تطوير أدوات ومعدات تحليلية تُستخدم لفهم البوليمرات وتفاعلاتها. وبالتالي، هناك العديد من أنواع البلاستيك المنتشرة في صناعة السيارات، مثل البولي بروبيلين (PP)، والبولي يوريثين (PU)، وكلوريد البولي فينيل (PVC)، والبولي أميد (PA)، وأكريلونيتريل بوتادين ستايرين (ABS)، والبولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE)، والبولي كربونات (PC)، والبولي بوتيلين تيريفثالات (PBT).6
اليوم، تُستخدم البوليمرات بشكل متزايد في تصنيع مجموعة واسعة من الأجزاء داخل السيارة وخارجها، بما في ذلك أجزاء المحرك، خزان الوقود والأنابيب، مكونات الدوائر الكهربائية والإلكترونية، وأنظمة الفرامل وصناديق السرعات، ومعظم هيكل السيارة. كما تُستخدم البوليمرات على نطاق واسع في المقاعد والمفروشات الداخلية، وأحزمة الأمان، والوسائد الهوائية، ولوحات القيادة، وأنظمة العزل الحراري والصوتي. على سبيل المثال، تُستخدم رغوة البولي يوريثان في تصنيع المقاعد نظراً لراحتها ومتانتها، بينما تُستخدم اللدائن الحرارية بشكل متزايد في مكونات لوحة القيادة والكونسول نظراً لتعدد استخداماتها وخصائصها الجمالية. كما تُستخدم الآن ألواح البوليمر المُركبة المُقواه بألياف الكربون (CFRP) في السيارات عالية الأداء. يتميز البوليمر المقوى بألياف الكربون بالتحمل العالي وخفة الوزن، مما يجعله مثالياً لتحسين الآداء وتقليل استهلاك الطاقة. كما يُسهم ذلك في تحسين استهلاك الوقود وزيادة التوازن الديناميكي أثناء القيادة. على الرغم من استخدام المطاط في صناعة إطارات السيارات لأكثر من قرن، إلا أن التطورات في كيمياء البوليمرات أدت إلى إنتاج مطاط صناعي متطور يُحسّن جودة الإطارات ومتانتها، بما يُعزز راحة الركوب وآداء السيارات في مختلف الظروف الجوية وحالات الطٌرق.7 كما يُستخدم المطاط في تصنيع دعائم نظام التوجيه والتعليق، بالإضافة إلى قواعد المحرك، التي أثبتت قدرتها على امتصاص الاهتزازات والصدمات بديناميكية عالية. ولأن السيارات الأخف وزناً تتطلب طاقة أقل للتحرك، فقد أحدث هذا ثورة في أداء السيارات. لم تُحسّن تطوير البوليمرات والمواد المُركبة أداء السيارات بشكل كبير فحسب، بل ساهمت أيضاً في جهود اقتصادية من خلال تقليل معدلات استهلاك الوقود، وتحسين راحة الركاب، والحد من الآثار البيئية. في الوقت نفسه، تؤكد أحدث الإحصاءات أن سوق بلاستيك السيارات شهد نمواً ملحوظاً في السنوات الأخيرة. ومن المتوقع أن ينمو من 43.29 مليار دولار أمريكي في عام 2024 إلى 47.52 مليار دولار أمريكي في عام 2025، بمعدل نمو سنوي قد يبلغ 9.8٪.
التطورات الحديثة في تكنولوجيا البوليمرات ذاتية التشافي والمواد المُركبة حققت آداء عالي واختراقاً جديداً، يُبشر بمستقبل واعد لصناعة السيارات. تتمتع هذه البوليمرات بالقدرة على إصلاح الأضرار الطفيفة تلقائياً، مثل الثقوب أو الخدوش أو الشقوق، مما يُطيل عمر بعض قطع غيار السيارات بشكل كبير. حيث طور باحثون روابط بوليمرية تحتوي على كبسولات دقيقة مملوءة بعوامل إصلاح. عندما تتلف المادة، تنفتح الكبسولات الدقيقة، مُطلقةً عوامل الإصلاح التي تلتصق بالشقوق أو الخدوش وتُصلحها، في الإطارات مثلاً. كما يمكن تطبيق هذه التقنية على المكونات الخارجية والداخلية للسيارات في المستقبل، مما يوفر متانة مستدامة طويلة الأمد مع خفض تكاليف الصيانة. علاوة على ذلك، سيُحدث ظهور البوليمرات الحرارية البلاستيكية المتقدمة ثورة في طُرق إنتاج العديد من قطع غيار السيارات. حيث يمكن صهر هذه المواد وإعادة تشكيلها عدة مرات بأقل قدر من الإضافات، مما يجعلها أكثر استدامة من البوليمرات الحرارية البلاستيكية التقليدية. تُقلل هذه القدرة على إعادة الاستخدام من النفايات في عملية التصنيع وتُسهل إعادة التدوير، وهو جانب بالغ الأهمية لصناعة السيارات، نظرا للمخاوف البيئية والاجتماعية. تتبنى صناعة السيارات حالياً تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تستخدم مجموعة متنوعة من مواد خيوط البوليمرات. وقد فتح هذا المجال أمام إنشاء نماذج أولية سريعة وإنتاج قطع غيار معقدة بأقل قدر من النفايات. ولا تقتصر مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام البوليمرات على توفير التكلفة فحسب، بل تتيح أيضاً تحكم أكبر في دقة تنفيذ العديد من تصاميم القطع، مما يعزز قدرات السيارات وكفاءتها التشغيلية مستقبلاً.
يُعد تطوير الروابط التساهمية الديناميكية أحد أهم الاكتشافات الحديثة في مجال البوليمرات. فقد طوّر البروفيسور صلاح علي وزملاؤه مواد بوليمرية مُقوّاة بأنابيب الكربون النانوية (CNTs) لتحسين الخواص الاحتكاكية لأسطح فرامل السيارات.8 وقد ابتكر كيميائيون، مثل ك. باري شاربلس، هذه الروابط لتوليد تفاعلات كيميائية قوية ومفيدة يمكن ربطها بطرق مبتكرة. وقد يؤدي هذا إلى تطوير بوليمرات ذات خصائص عالية التحكم، يمكن تصميمها وتنفيذها لتطبيقات محددة، مثل الأسطوانات غير المعدنية المتينة لتخزين الوقود الغازي حالياً والهيدروجيني مستقبلاً، لتتحمل الضغوط العالية. علاوة على ذلك، تُمكّن الروابط التساهمية الديناميكية من إنتاج بوليمرات قابلة لإعادة التشكيل تحت الحرارة أو الضغط. وهذا يفتح آفاقاً جديدة للمواد ذاتية التجميع والتشافي، مما قد يُحوّلها إلى قطع غيار سيارات قابلة لإعادة التشكيل. ومن المتوقع أن يُحدث هذا المزيج من الروابط الكيميائية المتقدمة ثورة في صناعة السيارات من خلال تمكين تطوير مواد ذكية تستجيب للتأثيرات البيئية. وقد أعلنت اكتشافات حديثة في مجال البوليمر، والتي أعلن عنها البروفيسور صلاح علي وزملاؤه، مهدت الطريق لتصميم جديد للجيل القادم من المركبات. وأثبتوا أن استخدام أنابيب الكربون النانوية سيُحدث ثورة في تصنيع مكابس المحركات.9 وأكدت الدراسة أن أنابيب الكربون النانومترية المضافة مفيدةٌ للغاية في إنتاج مواد مُركبة جديدة ومبتكرة في صناعة السيارات. علاوةً على ذلك، كشف البروفيسور علي وآخرون خلال العام الجاري عن تفاصيل مهمة حول استخدام البوليمرات في تطوير إنتاج أنظمة الهيدروجين الأخضر، والذي قد يُحدث ثورةً في صناعة السيارات.10
مما تقدم، يمكن إستخلاص التالي:
البوليمرات والخيوط كيمياء لها تاريخ عريق منذ أقدم العصور، وجاري تطويرها بفضل جهود العلماء والباحثين الآن حول العالم.
أحدثت الكيمياء الهندسة المتقدمة، خصوصاً في البوليمرات ومشتقاتها، تغييراتٍ جذرية في صناعة السيارات، بدءاً من إنتاج وتحسين جودة الزيوت والوقودات، وصولاً إلى تصميم سيارات أخف وزناً وتقليل معدلان إستهلاك الوقود، وصولاً إلى إمتصاص الصدمات لتحسين الأداء وراحة الركوب والتشغيل الأمثل والاستدامة. هذا بالإضافة إلى خفض التكلفة الأولية لشراء سيارات جديدة.
أرسى التطور التاريخي لكيمياء البوليمرات أسساً للعديد من الابتكارات، حيث تُشكل الشخصيات والاكتشافات الرائدة مستقبل تكنولوجيا السيارات باستمرار. مع تطور هذا المجال، ستستمر الروابط الكيميائية الجديدة، مثل الروابط التساهمية الديناميكية الكيمائية بفضل الفيتمتوثانية، في الظهور لدفع عجلة التقدم في خصائص المواد البوليمرية، ودعم تصميم وتصنيع قطع غيار السيارات، مما يجعلها أكثر كفاءة واستدامة في المستقبل.
الروابط التساهمية الديناميكية في الكيمياء، تهتم بدراسة أي حركة وتفاعل زرات البولميرات، حيث يمكن دراستها بدقة باستخدام تقنية الفيمتو ثانية. الفيمتو ثانية هي فترة زمنية قصيرة جداً، تساوي 10-15 ثانية، وهي كافية لرصد تحركات الذرات والجزيئات أثناء التفاعلات الكيميائية. هذا، إلى جانب تطور علم القياس وتكنولوجيا النانو والميكاترونيات، بما يعزز الأداء والمسؤولية البيئية ويساهم في تحسين وازدهار الاقتصاد العالمي.
شهد استخدام المواد الكيميائية البوليمرية في صناعة السيارات نمواً ملحوظاً في السنوات الأخيرة، حيث زاد بنسبة تقارب 10% سنوياً، والجهود مازالت جارية بتوفيق الله.
ختاماً: ففي المستقبل القريب، يمكن القول في مقال آخر جديد إن سر تطوير وقوة السيارات الكهربائية، يكمن في التركيب الكيميائي لبطارياتها، صرف النظر عن مدى تأيدها أوالإهتمام بها.
المراجع:
1. S.H.R. Ali, Automotive Engine Metrology, Book, 1st Edition, ISBN 978-982-4669-52-8 (Hardcover), ISBN 978-1-315-36484-1 (eBook), Publisher: Pan Stanford, Singapore (2017).
2. A Ali; S.H.R. Ali, Digital Industry by Entrepreneurship: the Way to a Flourish Economy, Journal of Modern Industry and Manufacturing (JMIM), Vol.1, Issue1, pp.1-7, China (2022).
3. H. Staudinger, Macromolecular Chemistry: An Introduction to the Study of High Polymers, Angewandte Chemie, German, (1920).
4. W. H. Carothers, The Synthesis of Nylon, Journal of the American Chemical Society, USA (1935).
5. G. Natta, P. Corradini, Polypropylene: The Synthesis of a New High-Molecular-Weight Polyolefin,
Journal of Polymer Science, USA (1955).
6. J.M. Chalker, J. Boatz, Self-Healing Polymers in the Automotive Industry: Current Advances, Nature Materials (2020).
7. S.H.R. Ali, H.H. Dadoura, K.A. Ahmed and A.S. Sharara, Influence of Tire Parameters on Ride Behavior in Quarter Car Model, Engineering Research Bulletin of Helwan Univ, Vol.3, Cairo, Egypt (1992).
8. S.H.R. Ali, B.S.N. Azam, Mechanical, Tribological Properties and Surface Characteristics of Developed Polymeric Materials Reinforced by CNTs, SAE International Journal of Fuels and Lubricants, Section: Surface Engineering and Automotive Tribology, Vol. 8, Issue 1, pp.35-40, USA (2015).
9. S.H.R. Ali, Y.G. A. Yousef, ASHR Ali, 3D Design and Analyses of ICE Piston under Fatigue Test Conditions using CNTs for the Next-Generation of Motorcycles, SAE International, Paper no: 2025- 01-8359, USA (2025).
10. M.S. Hamed, S.H.R. Ali, Green Hydrogen Production: Progress, Challenges and Proposed Solutions), SAE International, Paper no: 2025-01-8601, USA (2025).
بيانات المؤلف
– ResearchGate, site
: https://www.researchgate.net/profile/Salah_H_R_Ali
– Scopus, site
: http://www.scopus.com/authid/detail.url?authorId=35111003500
– Google Scholar, site : http://scholar.google.com/citations?user=PtA7xmAAAAAJ&hl=en
– ORCID site : http://orcid.org/0000-0002-7636-7728
– Linkedin, site : https://www.linkedin.com/in/salah-h-r-ali-1aa07794/?originalSubdomain=eg
– Prabook : https://prabook.com/web/salah.ali/520214
– PHI Institute, site : https://www.phi.edu.eg/programdetails/4
