علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Unusual material could improve the reliability of electronics and other devices
(Louise Lerner – بقلم: لويس ليرنر)
ملخص المقالة:
اخترع علماء جامعة شيكاغو طريقة جديدة لتوجيه الحرارة على المستوى المجهري: عازل حراري مصنوع باستخدام تقنية مبتكرة، بتكديس طبقات رقيقة جدا من الصفائح البلورية فوق بعضها البعض، وتدوير كل طبقة بخفة، مما يخلق مادة ذات ذرات تتماشى في اتجاه واحد، ولكن ليس في الاتجاه الآخر. وداخل كل طبقة من البلورة، لا يزال هناك شعرية مرتبة من الذرات، ولكن إذا انتقلت إلى الطبقة المجاورة، فليس هناك أي فكرة عن مكان الذرة التالية بالنسبة إلى الطبقة السابقة. والنتيجة هي مادة جيدة للغاية في كل من احتواء الحرارة ونقلها، وإن كان ذلك في اتجاهات مختلفة، وهي قدرة غير عادية على النطاق الصغير، وقدرة يمكن أن يكون لها تطبيقات مفيدة جدا في الإلكترونيات والتكنولوجيا الأخرى.
( المقالة )
يعد نقل الحرارة إلى المكان الذي تريدها أن تذهب إليه – إضافتها إلى المنازل ومجففات الشعر، وإزالته من محركات السيارات والثلاجات – أحد التحديات الكبيرة للهندسة.
ويولد كل نشاط حرارة، لأن الطاقة تنتج من كل ما نقوم به. ولكن الكثير يمكن أن يسبب تآكل البطاريات والمكونات الإلكترونية – مثل الأجزاء الموجودة في الكمبيوتر المحمول القديم الذي يصبح ساخنا جدا بحيث لا يمكن ابقاؤه فعليا في حضنك. وإذا لم تتمكن من التخلص من الحرارة، فلديك مشكلة.
وقد اخترع العلماء في جامعة شيكاغو طريقة جديدة لتوجيه الحرارة على المستوى المجهري: عازل حراري مصنوع باستخدام تقنية مبتكرة. إنهم يكدسون طبقات رقيقة جدا من الصفائح البلورية فوق بعضها البعض، ولكنهم يدورون كل طبقة بخفة، مما يخلق مادة ذات ذرات تتماشى في اتجاه واحد ولكن ليس في الاتجاه الآخر.
وقالت شي إن كيم، طالبة الدراسات العليا في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية وهي المؤلفة الأولى للدراسة: “فكر في مكعب روبيك المكتمل جزئيا، مع طبقات تدور جميعها في اتجاهات عشوائية”. وأضاف: “ما يعنيه ذلك هو أنه داخل كل طبقة من البلورة، لا يزال لدينا شعرية مرتبة من الذرات، ولكن إذا انتقلت إلى الطبقة المجاورة، فليس لديك أي فكرة عن مكان الذرة التالية بالنسبة إلى الطبقة السابقة – الذرات فوضوية تماما على طول هذا الاتجاه”.
والنتيجة هي مادة جيدة للغاية في كل من احتواء الحرارة ونقلها، وإن كان ذلك في اتجاهات مختلفة – وهي قدرة غير عادية على النطاق الصغير، وقدرة يمكن أن يكون لها تطبيقات مفيدة جدا في الإلكترونيات والتكنولوجيا الأخرى.
وقال المؤلف الرئيسي للدراسة جيوونغ بارك، أستاذ الكيمياء والهندسة الجزيئية في جامعة شيكاغو: “إن الجمع بين التوصيل الحراري الممتاز في اتجاه واحد والعزل الممتاز في الاتجاه الآخر غير موجود على الإطلاق في الطبيعة”. وتابع: “نأمل أن يفتح هذا اتجاها جديدا تماما لصنع مواد جديدة”.
ويبحث العلماء باستمرار عن مواد ذات خصائص غير عادية، لأنهم يستطيعون فتح قدرات جديدة تماما لأجهزة مثل الإلكترونيات، أجهزة الاستشعار، التكنولوجيا الطبية، أو الخلايا الشمسية. وعلى سبيل المثال، أصبحت آلات التصوير بالرنين المغناطيسي ممكنة من خلال اكتشاف مادة غريبة يمكنها توصيل الكهرباء بشكل مثالي.
وكانت مجموعة البروفيسور بارك تبحث عن طرق لصنع طبقات رقيقة للغاية من المواد، والتي يبلغ سمكها بضع ذرات فقط. وعادة، تتكون المواد المستخدمة للأجهزة من مشابك منتظمة للغاية ومتكررة للذرات، مما يجعل من السهل جدا على الكهرباء (والحرارة) التحرك عبر المادة. ولكن العلماء تساءلوا عما سيحدث إذا قاموا بدلا من ذلك بتدوير كل طبقة متتالية قليلا أثناء تكديسها.
وقاموا بقياس النتائج، ووجدوا أن الجدار المجهري المصنوع من هذه المادة كان جيدا للغاية في منع الحرارة من التحرك بين المقصورات. وقال البروفيسور بارك: “الموصلية الحرارية منخفضة بشكل مثير للدهشة – منخفضة مثل الهواء، والتي لا تزال واحدة من أفضل العوازل التي نعرفها”. وبين: “هذا في حد ذاته مثير للدهشة، لأنه من غير المعتاد جدا العثور على تلك الخاصية في مادة صلبة كثيفة – تلك تميل إلى أن تكون موصلات حرارية جيدة”.
ولكن النقطة التي كانت مثيرة حقا للعلماء كانت عندما قاموا بقياس قدرة المادة على نقل الحرارة على طول الجدار، ووجدوا أنها يمكن أن تفعل ذلك بسهولة بالغة.
ويمكن أن تكون هاتان الخاصيتان مجتمعتين مفيدتين للغاية. فعلى سبيل المثال، فإن جعل رقائق الكمبيوتر أصغر وأصغر يؤدي إلى المزيد والمزيد من الطاقة التي تمر عبر مساحة صغيرة، مما يخلق بيئة ذات “كثافة طاقة” عالية – وهي نقطة ساخنة خطيرة، كما قالت كيم.
وأوضحت: “أنت تخبز أجهزتك الإلكترونية بشكل أساسي على مستويات الطاقة كما لو كنت تضعها في فرن ميكروويف. أحد أكبر التحديات في مجال الإلكترونيات هو العناية بالحرارة على هذا النطاق، لأن بعض مكونات الإلكترونيات غير مستقرة للغاية في درجات الحرارة المرتفعة”.
وتابعت: “ولكن إذا استطعنا استخدام مادة يمكنها توصيل الحرارة وعزل الحرارة في نفس الوقت في اتجاهات مختلفة، فيمكننا سحب الحرارة بعيدا عن مصدر الحرارة – مثل البطارية – مع تجنب الأجزاء الأكثر هشاشة من الجهاز”.
ويمكن أن تفتح هذه القدرة الأبواب لتجربة المواد التي تكون حساسة للحرارة للغاية ليقوم المهندسون باستخدامها في الإلكترونيات. وبالإضافة إلى ذلك، فإن إنشاء تدرج حراري شديد – حيث يكون هناك شيء ساخن جدا من جانب وبارد من جانب آخر – صعبٌ، لا سيما على مثل هذه النطاقات الصغيرة، ولكن يمكن أن يكون له العديد من التطبيقات في التكنولوجيا.
وقال البروفيسور بارك: “إذا فكرت في ما فعله زجاج النافذة بالنسبة لنا – القدرة على الحفاظ على درجات الحرارة الخارجية والداخلية منفصلة – فيمكنك التعرف على مدى فائدة ذلك”.
واختبر العلماء تقنية الطبقات الخاصة بهم فقط في مادة واحدة، تسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم، لكنهم يعتقدون أن هذه الآلية يجب أن تكون عامة عبر العديد من التقنيات الأخرى. وقالت كيم: “آمل أن يفتح هذا اتجاها جديدا تماما لصنع الموصلات الحرارية الغريبة”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-09-unusual-material-reliability-electronics-devices.html
لمزيد من المعلومات: شي إن كيم وآخرون، Extremely anisotropic van der Waals thermal conductors, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-03867-8