"ابتكار برمجي جديد يُحدث نقلة نوعية في نمذجة تشتت الموجات المعقدة"

حزمة برمجيات جديدة تُحسن نمذجة تشتت الموجات عند مواجهة تكوينات معقدة من الجسيمات

تمكن باحثون من جامعة ماكواري من تطوير حزمة برمجيات جديدة تعزز القدرة على نمذجة تشتت الموجات، سواء كانت صوتية أو مائية أو ضوئية، عند مواجهتها لتكوينات معقدة من الجسيمات. هذه البرمجيات الجديدة تُعرف بـ TMATSOLVER، وهي أداة تعتمد على المضاعفات التي تُحاكي التفاعلات بين الموجات والجسيمات ذات الأشكال والخصائص المختلفة.

تحسين تصميم المواد الميتامادية

تُعتبر حزمة البرمجيات الجديدة قفزة نوعية في تصميم المواد الميتامادية، وهي مواد اصطناعية تُستخدم لتضخيم أو حجب أو انحراف الموجات. من خلال تحسين القدرة على تصميم هذه المواد بشكل أسرع، سيسهم TMATSOLVER بشكل كبير في تطبيقات متنوعة تتطلب التعامل مع تشتت الموجات في بيئات معقدة.

نتائج الدراسة والتقنيات المستخدمة

أظهرت النتائج التي نُشرت في مجلة Proceedings of the Royal Society A بتاريخ 19 يونيو 2024، فعالية TMATSOLVER في محاكاة ترتيبات تصل إلى عدة مئات من المشتتات، حتى عندما تكون هذه المشتتات لها أشكال معقدة. يعتمد البرنامج على المصفوفة الانتقالية (T-matrix)، وهي شبكة من الأرقام تصف بدقة كيفية تشتت جسم معين للموجات.

تقدم كبير في حساب المصفوفة الانتقالية

يقول المؤلف الرئيسي، الدكتور ستيوارت هوكينز من قسم الرياضيات والإحصاء في جامعة ماكواري: “تم استخدام المصفوفة الانتقالية منذ الستينيات، لكننا أحرزنا تقدمًا كبيرًا في حسابها بدقة للجسيمات التي تكون أكبر بكثير من الطول الموجي ولها أشكال معقدة.” وأضاف: “باستخدام TMATSOLVER، تمكنا من نمذجة تكوينات الجسيمات التي لم يكن بالإمكان معالجتها سابقًا.”

التعاون الدولي في تطوير البرمجيات

عمل الدكتور هوكينز مع فريق من رياضياتيين من عدة جامعات مرموقة في أنحاء مختلفة من العالم، بما في ذلك جامعة أديلايد، جامعة مانشستر، وكلية إمبريال في لندن في المملكة المتحدة، وجامعة أوغسبورغ وجامعة بون في ألمانيا. هذا التعاون الدولي ساهم في تعزيز تطوير وتحسين البرمجيات لتلبية احتياجات البحث والتطبيقات العملية في نمذجة تشتت الموجات.

تحسين فعالية أبحاث المواد الميتامادية باستخدام TMATSOLVER

يقول الدكتور لوك بينيتس، الباحث في جامعة أديلايد والمشارك في تأليف المقال: “كان من الرائع العمل على هذا المشروع ودمج برمجيات TMATSOLVER في أبحاثي حول المواد الميتامادية.” ويضيف: “سمح لي ذلك بتجنب الاختناقات الناتجة عن الحسابات العددية لاختبار نظريات المواد الميتامادية، وسهّل علي تعميم حالات الاختبار الخاصة بي على أشكال هندسية أكثر تعقيدًا.”

التطبيقات في المواد الميتامادية

عرض الباحثون قدرات البرمجيات من خلال أربعة أمثلة لتصميم المواد الميتامادية، والتي شملت:

• مصفوفات من الجسيمات غير المتجانسة
• جسيمات مربعة ذات تباين عالٍ
• هياكل دورية قابلة للتعديل تُبطئ الموجات

تصمم المواد الميتامادية لتكون لها خصائص فريدة غير موجودة في الطبيعة، مما يتيح لها التفاعل مع الموجات الكهرومغناطيسية أو الصوتية أو غيرها من الموجات عن طريق التحكم في حجم وشكل وترتيب هياكلها على النطاق النانوي. من بين التطبيقات البارزة:

• عدسات فائقة لرؤية الأجسام على مقياس جزيئي
• أغطية عدم الرؤية التي تحني جميع الضوء المرئي
• امتصاص الموجات بشكل مثالي لجمع الطاقة أو تقليل الضوضاء

تأثير TMATSOLVER على البحث والتطوير

ستكون نتائج هذه الأبحاث وتطوير أداة TMATSOLVER ذات تطبيق واسع في تسريع البحث والتطوير في السوق العالمية المتنامية للمواد الميتامادية التي يمكن تصميمها للتحكم الدقيق في الموجات. يقول الدكتور هوكينز: “لقد أظهرنا أن برمجياتنا يمكنها حساب المصفوفة الانتقالية لمدى واسع من الجسيمات، باستخدام التقنيات الأكثر ملاءمة لنوع الجسيمات.” ويضيف: “سيمكن هذا من النمذجة السريعة والتحقق من تصاميم المواد الميتامادية الجديدة.”

تعزيز الابتكار في علوم المواد

تقول البروفيسورة لوسي مارشال، عميدة كلية العلوم والهندسة بجامعة ماكواري: “يمثل هذا البحث قفزة كبيرة إلى الأمام في قدرتنا على تصميم ومحاكاة المواد الميتامادية المعقدة، وهو مثال رئيسي على كيفية دفع الأساليب الحسابية المبتكرة لتقدم العلوم والهندسة في المواد.” تشير البروفيسورة مارشال إلى أن البرمجيات يمكن أن تسرع من تحقيق اختراقات جديدة، مما يعزز إمكانيات التصميم والتطبيق في هذا المجال المتطور.