لقد أظهر العلماء طريقة جديدة لتعزيز انتقال الحرارة بشكل كبير عبر الفجوات النانوية باستخدام المواد الاصطناعية الهندسية.
يمكن للحرارة عبور فجوة فراغية صغيرة بكفاءة أكبر بكثير مما يوحي به الإشعاع الحراري العادي. لقد أظهر الباحثون الآن أن المواد الاصطناعية المزخرفة بعناية يمكنها تضخيم تدفق الطاقة النانوية بما يصل إلى أربعة أضعاف، مما يوفر دليلاً تجريبيًا على أنه يمكن هندسة نقل الحرارة بدلاً من إدارته ببساطة.
الدراسة التي نشرت في طبيعة من قبل باحثين في جامعة كارنيجي ميلون، وجامعة ستانفورد، وجامعة بوردو، يركز على نقل الحرارة الإشعاعي في المجال القريب. ويظهر هذا التأثير عندما يفصل بين جسمين بضع مئات من النانومترات فقط، مما يسمح للتفاعلات الكهرومغناطيسية التي لا تذكر على مسافات أكبر بالسيطرة على تبادل الطاقة الحرارية.
عندما تعبر الحرارة فجوة النانو
في المسافات اليومية، تتبادل الأشياء الحرارة في المقام الأول من خلال عمليات مألوفة مثل التوصيل والحمل الحراري والإشعاع الحراري. ولكن عندما تتحرك الأسطح بالقرب من بعضها البعض، يمكن للمجالات الكهرومغناطيسية المرتبطة بأحد الأسطح أن تتفاعل مباشرة مع السطح الآخر. يمكن للطاقة بعد ذلك عبور الفجوة من خلال تأثيرات المجال القريب، مما ينتج عنه معدلات نقل حرارة تتجاوز بكثير ما يسمح به إشعاع المجال البعيد التقليدي.
لقد درس العلماء هذه الظاهرة لسنوات، لكن العمل الجديد يوضح تجريبيا أن الهياكل الاصطناعية يمكن أن تعززها بشكل أكبر. قام الباحثون بتصميم هياكل ذهبية مجهرية على أغشية رقيقة، ثم وضعوا سطحين منقوشين وجهاً لوجه عبر فجوة نانوية.
وقال شينغ شين، أستاذ الهندسة الميكانيكية في جامعة كارنيجي ميلون وكبير مؤلفي الدراسة: “على عكس المواد التقليدية، يتم بناء المواد الخارقة بأنماط صغيرة ومتكررة تتفاعل مع الطاقة بطرق دقيقة”. “لقد قمنا بتصميم هياكل ذهبية مجهرية على أغشية رقيقة ووضعناها وجهاً لوجه عبر فجوة نانوية. أدى هذا إلى زيادة نقل الحرارة بما يصل إلى أربعة أضعاف مقارنة بالإعدادات المماثلة بدون مواد خارقة، وهو ما يتجاوز بكثير ما تتنبأ به الفيزياء التقليدية على مسافات أكبر.”
الرنين يضخم تدفق الطاقة
لا يأتي النقل المعزز ببساطة من خلال توفير طرق إضافية للحرارة. وبدلاً من ذلك، تتفاعل الهياكل الذهبية المنقوشة مع بولاريتونات الفونون السطحية، والموجات الكهرومغناطيسية المقترنة بالاهتزازات الذرية بالقرب من سطح بعض المواد.
قال زيكسياو وانغ، طالب دكتوراه في مجموعة أبحاث البروفيسور شين والمؤلف الأول المشارك للدراسة: “بدلاً من مجرد إضافة المزيد من مسارات الحرارة، تتفاعل هياكل الذهب مع موجات الطاقة التي تحدث بشكل طبيعي في المادة، والمعروفة باسم بولاريتونات الفونون السطحي، مما يخلق تأثير الرنين”. “تسمح هذه الاهتزازات المقترنة للطاقة بالتحرك بحرية وكفاءة أكبر عبر الفجوة.”
وقال شين: “إنه تأثير تعاوني”. “الهياكل والمواد تضخم بعضها البعض.”
تصميم الحرارة للإلكترونيات وأنظمة الطاقة
يمكن أن يساعد التحكم الدقيق في تدفق الحرارة في نهاية المطاف في معالجة إحدى المشكلات المركزية في الإلكترونيات الحديثة. مع صغر حجم المكونات وزيادة قوة أنظمة الحوسبة، يصبح إزالة الحرارة من الأجهزة ذات الكثافة السكانية العالية أمرًا صعبًا بشكل متزايد. يمكن للهياكل التي تتعامل مع النقل الحراري على نطاقات صغيرة جدًا أن توفر أساليب جديدة لرقائق التبريد وغيرها من الأنظمة عالية الأداء.
يمكن أن تؤثر نفس الفيزياء أيضًا على التقنيات التي تحول الإشعاع الحراري إلى كهرباء. تولد الأنظمة الكهروضوئية الحرارية الطاقة الكهربائية من الضوء المنبعث من الأجسام الساخنة، وبالتالي فإن زيادة كفاءة الإشعاع الحراري والتحكم فيه يمكن أن يؤدي إلى تحسين أدائها. قد تستفيد أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء أيضًا من الإشارات الحرارية الأقوى أو التي يتم التحكم فيها بشكل أكثر دقة في تطبيقات تتراوح من المراقبة البيئية إلى الأمن القومي.
في الوقت الحالي، تنطبق النتائج على الهياكل النانوية التي تعمل تحت ظروف معملية يتم التحكم فيها بعناية.
وقال شين: “إذا كان من الممكن هندسة الحرارة بنفس دقة الكهرباء أو الضوء، فقد يفتح ذلك الباب أمام فئة جديدة من التقنيات المصممة ليس فقط لتحمل الحرارة، ولكن لتسخيرها”.
المرجع: “انتقال الحرارة الإشعاعي المعزز بالمواد الخارقة” بقلم Zexiao Wang وRenwen Yu وHakan Salihoglu وXiao Luo وZhuo Li وHyeonggyun Kim وXiu Liu وTianyi Huang وYibai Zhong وShanhui Fan وSheng Shen، 27 مايو 2026، طبيعة.
دوى: 10.1038/s41586-026-10595-4
يتم دعم هذا العمل من قبل وكالة الحد من التهديدات الدفاعية، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومكتب القوات الجوية للبحث العلمي. شنغ شين وشانهوي فان هما المؤلفان المقابلان. ساهم زيشياو وانغ، ورينوين يو، وهاكان صالح أوغلو بالتساوي في هذا العمل.
لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
