الباحثون في جامعة ولاية كارولينا الشمالية لقد صممت طبقة رقيقة تجمع بين الصلابة الاستثنائية والعزل الحراري الشديد. تُصنف موصليتها الحرارية من بين أدنى المعدلات المبلغ عنها بالنسبة لمادة كثيفة وغير مسامية، وتقترب من الحد النظري لمدى فعالية هذه المادة في حجب الحرارة. يمكن أيضًا طباعة الفيلم بمقاييس كبيرة وتطبيقه كطلاء.
يقول دالي صن، أستاذ الفيزياء في جامعة نورث كارولاينا والمؤلف المشارك لمقال صحفي يصف العمل: “إن المواد الصلبة التي تعتبر عوازل حرارية جيدة سيكون لها فائدة كبيرة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من تجهيزات المطابخ إلى الأجهزة الإلكترونية وحتى السفر عبر الفضاء”.
كسر الرابط بين الصلابة وتدفق الحرارة
من الصعب إنشاء مادة تتمتع بكلتا الخاصيتين، لأن الصلابة وانتقال الحرارة يسيران معًا بشكل عام. المواد التي تقاوم التشوه عادة ما تكون موصلة للحرارة بشكل جيد، في حين أن العوازل الفعالة تميل إلى أن تكون أقل صلابة.
يقول صن: “لكن هذا يمثل تحديًا كبيرًا”. “لأنه، بشكل عام، المواد الصلبة جيدة في توصيل الحرارة، والمواد غير الصلبة جيدة في العزل ضد الحرارة. لقد صنعنا مادة شديدة الصلابة و جيد للغاية في العزل ضد الحرارة. أفضل من أي مادة يمكن أن تجدها في الطبيعة.”
الفريق أبحاث سابقة وقد حددوا علاقة غير عادية بين هذه الخصائص في عائلة معينة من المواد. انتقلت الدراسة الجديدة من ملاحظة هذا السلوك إلى تصميم نسخة أكثر تطرفًا منه عمدًا.
يقول جون ليو، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران في جامعة نورث كارولاينا والمؤلف المشارك: “لقد أظهرنا سابقًا سلوكًا غير عادي يتعلق بمزيج من الصلابة والتوصيل الحراري في فئة معينة من المواد”. “من أجل هذا العمل، انخرطنا في هندسة جزيئية أكثر تقدمًا لإنشاء مزيج متطرف من تلك الخصائص عن عمد.”
إعادة بناء المادة من الداخل
عمل الباحثون مع مجموعة فرعية من البيروفسكايت الهجين ثنائي الأبعاد العضوي وغير العضوي. تحتوي أفلام أشباه الموصلات هذه على طبقات عضوية وغير عضوية متناوبة مرتبة في بنية بلورية عالية الترتيب.
ولتغيير سلوك الأفلام، استبدل الفريق بعض سلاسل الكربون في الطبقات العضوية بمزيج مخصص من حلقات البنزين. أعطت هذه التغييرات الجزيئية للباحثين السيطرة على صلابة المادة وقدرتها على نقل الحرارة.
كان لطبقة اليود الناتجة من الآزوبنزين إيثيل الأمونيوم والرصاص موصلية حرارية تبلغ حوالي 0.04 واط لكل متر لكل كلفن عند درجة حرارة الغرفة. يبلغ قياس السيليكون حوالي 0.2 واط لكل متر لكل كلفن. وفي ظل ظروف مكافئة، تعني هذه القيمة المنخفضة أن الغشاء الجديد ينقل فقط حوالي خمس الحرارة.
يقول ليو: “لذلك، إذا أردنا مقارنة هذه المادة بالسيليكون، فإن المادة التي صنعناها هي أكثر صلابة من السيليكون بمقدار 700 إلى 10000 مرة وأفضل بخمس مرات في العزل ضد الحرارة”.
الأغشية الرقيقة ذات القدرة على الإنتاج على نطاق واسع
وبالإضافة إلى خصائصه غير العادية، يقدم الفيلم طريقة إنتاج يقول الباحثون إنه يمكن توسيعها بسهولة. إن تطبيقه كطلاء يمكن أن يجعل مزيجه من الصلابة والعزل مفيدًا عبر أنواع مختلفة من المعدات.
يقول ليو: “والطريقة التي استخدمناها لإنتاج هذه المادة يمكن توسيع نطاقها بسهولة إلى حد ما”. “يمكنك إنتاجه على نطاقات كبيرة إلى حد ما، وتطبيقه كطلاء، وما إلى ذلك.”
يقول ليو: “نحن متحمسون لهذه المادة بسبب خصائصها”. “لكننا متحمسون أيضًا لأن هذا العمل يسلط الضوء على إمكانات الهندسة الجزيئية لضبط هذه المواد ذات الطبقات الهجينة لاستخدامها في التطبيقات التي تتطلب مجموعات جديدة من الصلابة والعزل الحراري.”
المرجع: “الموصلية الحرارية المنخفضة للغاية في البيروفسكايت الهجين ذو الطبقات الصلبة” بقلم Ziqi Wang ، Liang Yan ، Ankit Negi ، Qingxuan Wang ، Zarif Ahmad Razin Bhuiyan ، Xiaowei Zhong ، Andrew H. Comstock ، Subhrangsu Mukherjee ، Yeonju Yu ، Cong Yang ، Aryan Jouneghaninaseri ، Shehzad Khan ، Tyler Wang ، Saqlain Raza ، Jun Hu ، Yoji Nabei ، شياوكون جو، وهيزو شاو، ومينجشيا ليو، وتشينج تو، وهارالد آدي، وجون تشو، ودالي صن، ووي يو، وجون ليو، 18 سبتمبر 2026، تقدم العلوم.
دوى: 10.1126/sciadv.aee5269
وقد تم هذا العمل بدعم من المؤسسة الوطنية للعلوم، في إطار المنح 1943813، 2154791، 2143642، 2311573، 2521954؛ وزارة الطاقة الأمريكية، بموجب المنحة DE-SC0020992؛ مكتب البحوث البحرية، بموجب المنحة رقم N000142012155؛ ومنحة الأستاذ المتميز للابتكار في ليلة سعيدة.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.
