.jpg)
يكتشف الباحثون سبب عدم كفاءة الكريستال المثالي في توصيل الحرارة ، على الرغم من أنه ينبغي أن يكون كذلك.
المادة الصلبة المتبلورة BaTiS3 (كبريتيد التيتانيوم الباريوم) فائقة في توصيل الحرارة ، واتضح أن ذرة التيتانيوم الموجودة في مكانين في نفس الوقت هي المسؤولة عن ذلك.
نُشر هذا الاكتشاف ، الذي قام به باحثون من معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا ، وجامعة جنوب كاليفورنيا ، ومختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة (ORNL) ، في 27 نوفمبر في مجلة Nature Communications. إنه يوفر نظرة ثاقبة أساسية على المستوى الذري لخاصية حرارية غير عادية تمت ملاحظتها في العديد من المواد. يحظى العمل باهتمام خاص للباحثين الذين يستكشفون الاستخدام المحتمل للمواد الصلبة البلورية ذات الموصلية الحرارية السيئة في التطبيقات الكهروحرارية ، حيث يتم تحويل الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية والعكس صحيح.
يقول أوستن مينيتش ، أستاذ الهندسة الميكانيكية والفيزياء التطبيقية في معهد كاليفورنيا للتكنولوجيا والمؤلف المشارك المشارك في ورقة اتصالات الطبيعة.
عادة ما تكون البلورات جيدة في توصيل الحرارة. بحكم التعريف ، هيكلها الذري منظم للغاية ، مما يسمح للاهتزازات الذرية - الحرارة - بالتدفق من خلالها كموجة. من ناحية أخرى ، فإن الزجاج سيئ في توصيل الحرارة، هيكله الداخلي غير منظم وعشوائي ، مما يعني أن الاهتزازات تقفز بدلاً من ذلك من ذرة إلى ذرة أثناء مرورها.
ينتمي BaTiS3 إلى فئة من المواد تسمى chalcogenides المتعلقة بالبيروفسكايت. رافيشاندران (Jayakanth Ravichandran ) ، الأستاذ المساعد في قسم عائلة Mork للهندسة الكيميائية وعلوم المواد بجامعة USC Viterbi ، وفريقه قاموا بالتحقيق في خصائصهم البصرية وبدأوا مؤخرًا في دراسة تطبيقاتها الكهروحرارية.
"كان لدينا حدس مفاده أن BaTiS3 سيكون له موصلية حرارية منخفضة ، لكن القيمة كانت منخفضة بشكل غير متوقع. تظهر دراستنا آلية جديدة لتحقيق الموصلية الحرارية المنخفضة ، لذا فإن السؤال التالي هو ما إذا كانت الإلكترونات في النظام تتدفق بسلاسة على عكس الحرارة لتحقيق خصائص كهروحرارية جيدة " ، يقول رافيشاندران.
اكتشف الفريق أن BaTiS3 ، إلى جانب العديد من المواد الصلبة البلورية الأخرى ، تمتلك موصلية حرارية "تشبه الزجاج". لا يقتصر الأمر على الموصلية الحرارية لها التي يمكن مقارنتها مع تلك الخاصة بالزجاج المضطرب ، بل إنها تزداد سوءًا مع انخفاض درجة الحرارة ، وهو عكس معظم المواد. في الواقع ، الموصلية الحرارية لها في درجات الحرارة المبردة هي من بين الأسوأ على الإطلاق في أي مادة صلبة كثيفة (غير مسامية).
وجد الفريق أن ذرة التيتانيوم في كل بلورة من بلورات BaTiS3 توجد فيما يُعرف بإمكانية البئر المزدوج - أي أن هناك موقعان مكانيان في التركيب الذري حيث يمكن الذرة أن تكون. تؤدي ذرة التيتانيوم الموجودة في مكانين في نفس الوقت إلى ظهور ما يعرف باسم "نظام من مستويين". في هذه الحالة ، تحتوي ذرة التيتانيوم على حالتين: حالة أساسية وحالة مثارة. يتم امتصاص الاهتزازات الذرية العابرة بواسطة ذرة التيتانيوم ، والتي تنتقل من الأرض إلى الحالة المثارة ، ثم تتحلل بسرعة إلى الحالة الأرضية. تنبعث الطاقة الممتصة على شكل اهتزاز وباتجاه عشوائي.
التأثير الكلي لامتصاص وانبعاث الاهتزازات هو أن الطاقة مبعثرة بدلاً من نقلها بشكل نظيف. سيكون القياس هو تسليط الضوء من خلال زجاج بلوري ، مع ذرات التيتانيوم مثل الصقيع ؛ تنحرف الموجات الواردة عن التيتانيوم ، ويشق جزء منها فقط طريقه عبر المادة.
من المعروف منذ فترة طويلة وجود أنظمة ذات مستويين ، ولكن هذه هي الملاحظة المباشرة الأولى التي كانت كافية لتعطيل التوصيل الحراري في مادة بلورية واحدة على مدى درجة حرارة ممتدة ، مقاسة هنا بين 50 و 500 كلفن.
لاحظ الباحثون التأثير عن طريق قصف بلورات BaTiS3 بالنيوترونات في عملية تُعرف باسم الانتثار غير المرن باستخدام مصدر Spallation Neutron Source في ORNL. عندما تمر عبر البلورات ، تكتسب النيوترونات الطاقة أو تفقدها. يشير هذا إلى أن الطاقة يتم امتصاصها من نظام ذي مستويين في بعض الحالات ونقلها إليهم في حالات أخرى.
"لقد تطلب الأمر عملاً استقصائيًا حقيقيًا لحل هذا اللغز المتعلق ببنية وديناميكيات ذرات التيتانيوم. في البداية بدا أن الذرات كانت مضطربة في موضعها فقط ، لكن ضحالة الإمكانات تعني جيدًا عدم تمكنها من البقاء في مواقعها لفترة طويلة ، يقول مايكل مانلي ، كبير الباحثين في ORNL والمؤلف المشارك المشارك في ورقة Nature Communications ، "لفترة طويلة جدًا". وذلك عندما اقترح رافائيل هيرمان ، الباحث في ORNL ، إجراء حسابات كمومية للبئر المزدوج. "إن قدرة الذرات على حفر نفق معروفة جيدًا بالطبع ، لكننا لم نتوقع رؤيتها على مثل هذا التردد العالي مع مثل هذه الذرة الكبيرة في البلورة. لكن ميكانيكا الكم واضحة: إذا كان الحاجز بين الآبار صغيرًا بدرجة كافية ، فإن مثل هذا النفق عالي التردد ممكن بالفعل ويجب أن يؤدي إلى تشتت قوي للفونون وبالتالي الموصلية الحرارية الشبيهة بالزجاج ، "يقول مانلي.
تتمثل الطريقة التقليدية لتكوين جوامد بلورية ذات توصيل حراري منخفض في خلق الكثير من العيوب في تلك المواد الصلبة ، مما يضر بخصائص أخرى مثل التوصيل الكهربائي. لذلك ، فإن طريقة تصميم المواد البلورية منخفضة التوصيل الحراري دون أي ضرر بالخصائص الكهربائية والبصرية أمر مرغوب فيه للغاية للتطبيقات الكهروحرارية. تُظهر كمية صغيرة من المواد الصلبة البلورية نفس الموصلية الحرارية السيئة ، لذلك يخطط الفريق بعد ذلك لاستكشاف ما إذا كانت هذه الظاهرة هي السبب في تلك المواد أيضًا.
المصدر