يكشف القياس الدقيق للغاية للطاقة الصادرة عن الإلكترونات في الجرافين عن آلية تسخين جديدة على المقياس الذري
الجرافينوهو نوع من الكربون فاز مكتشفوه مؤخرًا بجائزة نوبل، وقد يشكل يومًا ما أساسًا لأجهزة إلكترونية صديقة للبيئة وفعالة للغاية. على عكس المواد الأخرى المصنوعة من الكربون، مثل الماس، فإن الجرافين يوصل الكهرباء، وكما هو الحال مع معظم الموصلات، فإن الحرارة هي منتج ثانوي يجب أن يؤخذ بعين الاعتبار في أي تصميم مستقبلي قد يشمل الجرافين. دراسة أجراها علماء من معهد وايزمان، شظهرت مؤخرا في المجلة العلمية العلم، يصف لأول مرة الآلية التي من خلالها تطلق الإلكترونات الموجودة في الجرافين الحرارة. إن فهم هذه الآلية قد يساعد المهندسين والباحثين على تحسين تصميم المواد والأجهزة القائمة على الجرافين، بالإضافة إلى تقديم نظرة فاحصة على عملية مجهرية لم يتم استكشافها بعد.
"الجرافين عبارة عن شبكة ثنائية الأبعاد من ذرات الكربون تشبه في مظهرها قرص العسل"، يوضح الدكتور دوري هالبرتال، وهو حاليًا باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر البروفيسور. إيلي زالدوف في قسم فيزياء المواد المكثفة. "في الجرافين النظيف، يبدو أنه لا يوجد شيء من شأنه أن "يجذب انتباه" الإلكترونات التي تمر عبره - ويجعلها تطلق طاقتها الزائدة." ومع ذلك، تنبعث الحرارة - وفي الأجهزة الصغيرة بشكل خاص، قد تكون التدفئة، حتى ولو كانت بسيطة، مشكلة خطيرة. إذا كان الأمر كذلك، فكيف يتم إنتاج الحرارة في المواد "المثالية" من نوع الجرافين؟
القياس الحراري الحساس
لدراسة المسألة على المستوى الذري، تعاون الدكتور هالبرتال والبروفيسور زالدوف مع الدكتور موشيه بن شالوم والبروفيسور.لعبة أندريه من جامعة مانشستر -من مستكشفي الجرافين- الذين لديهم عينات جرافين نظيفة بشكل استثنائي، حيث يتم وضع الجرافين بين طبقتين رقيقتين من مادة خاملة، أي أنه لا يتفاعل مع العمليات الكيميائية. استخدم البروفيسور زالدوف وأعضاء المجموعة نظام قياس فريدًا قاموا بتطويره، يعتمد على أجهزة فائقة التوصيل للتداخل الكمي (SQUID). ويوجد النظام في خزان كبير فوق هيكل خرساني يزن حوالي طنين ومدعوم بأرجل هوائية، ويتم تبريده بالهيليوم السائل إلى حوالي 4 درجات كلفن - كل ذلك من أجل عزله عن أي اضطرابات بيئية. قلب النظام عبارة عن جهاز يتكون من إبرة كوارتز رفيعة مطلية بالرصاص - وهو المعدن الذي يصبح موصلًا فائقًا عند تبريده، وفي النهاية - حلقة لا يتجاوز عرضها بضع عشرات من النانومترات، وهي التي يقوم بمسح خصائص المادة القريبة جدًا من سطحها، ولكن دون ملامستها.
تم تصميم الجهاز في الأصل لقياس الاضطرابات الصغيرة في المجالات المغناطيسية في المواد، لكن البروفيسور زيلدوف والدكتور هالبرتال أدركا حساسيته للتغيرات - حتى ولو كانت طفيفة - في درجة الحرارة، وقررا استخدام هذه الحساسية لتلبية احتياجاتهما البحثية. وفي دراسة سابقة ذلكتم النشر في المجلة العلمية الطبيعة وقبل نحو عام، أظهر الفريق قدرات الجهاز في قياس التغيرات في درجات الحرارة بدقة مليون درجة كلفن، أي أن نظام القياس أكثر حساسية بعشرة آلاف مرة من الطرق الرائدة الأخرى. تسمح تقنية القياس الفريدة للباحثين بإيقاف تشغيل تبديد الحرارة وتشغيله عند نقاط معينة في شبكة الجرافين، وهذا ليس فقط لقياس جوانب مختلفة من التسخين على المقياس الذري، ولكن أيضًا للتحكم فيها.
آلية تسخين جديدة
وفي التجربة الحالية، وجد الباحثون أن الإلكترونات أطلقت الحرارة فقط في عدد قليل من المواقع الذرية داخل بنية الجرافين وفي عدد كبير من النقاط على طول حواف البنية. سمحت لهم هذه الملاحظات بتحديد المواقع الدقيقة التي تأتي منها الحرارة. يقول الدكتور هالبيرتيل: «هذه المواقع عبارة عن عيوب ذرية، وربما تكون ذرات هيدروجين مرتبطة بشبكة الكربون». "تعمل هذه العيوب كالفخ: يمكنها تخزين الإلكترونات بداخلها لفترة من الوقت قبل أن تهرب بعد انبعاث القليل من الطاقة على شكل حرارة."
وظهرت مواقع هذه العيوب الذرية في الصور التي تم الحصول عليها في التجارب وهي محاطة بحلقات. من التحليل الذي أجراه الباحثون بالتعاون مع البروفيسور. ليونيد ليفيتوف وتبين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا أن الحلقات - وهي مناطق ضيقة حيث يوجد إطلاق متزايد للطاقة - مرتبطة بآلية إطلاق حرارة غير معروفة سابقًا؛ تتضمن الآلية حالة طاقة معينة يحتاجها الإلكترون للسماح بإطلاق الحرارة.
قد تخدم الأفكار التي يقدمها هذا البحث الفيزيائيين وعلماء المواد والمهندسين الذين يعملون مع الجرافين. علاوة على ذلك، يرى الدكتور هالبرتال أن طريقة القياس، التي تعمل بدقة أعلى بكثير من أي طريقة أخرى، قد تثري المعرفة العلمية في المستقبل في مجال الفيزياء الأساسية لإطلاق الحرارة. يقول البروفيسور زيلدوف: "العديد من العمليات في مختلف المجالات العلمية، من علم الأحياء إلى المستعرات الأعظم، تنطوي على تبادل وتحويل الطاقة". "بهذه الطريقة يمكننا أن نفهم كيف يحدث تبديد الطاقة على مستوى الإلكترون الواحد."
للمزيد حول هذا الموضوع على موقع العلوم:
