تعتبر معظم البوليمرات - وهي مواد تتكون من جزيئات طويلة تشبه السلسلة - عوازل حرارية وكهربائية جيدة جدًا. ومع ذلك، فقد وجد فريق بحث من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) طريقة لتحويل البوليمر الأكثر فائدة اليوم، وهو البولي إيثيلين، إلى مادة موصلة للحرارة على مستوى معظم المعادن، مع بقائها عازلًا كهربائيًا.
وتؤدي العملية الجديدة إلى قيام البوليمر بتوصيل الحرارة بكفاءة عالية على طول محور واحد فقط، على عكس المعادن التي تقوم بتوصيل الحرارة في جميع الاتجاهات بنفس الدرجة. هذا الاكتشاف يمكن أن يجعل المادة مفيدة بشكل خاص للتطبيقات التي يكون فيها من المهم إبقاء الحرارة بعيدًا عن جسم معين، مثل رقائق الكمبيوتر. ونشرت نتائج البحث في المجلة العلمية Nature Materials.
كان العامل الرئيسي في هذا التحويل الناجح هو القدرة على تنظيم جميع جزيئات البوليمر لتصطف في نفس الاتجاه، على عكس حالتها الفوضوية المعتادة. تمكن فريق البحث من القيام بذلك عن طريق سحب ألياف البولي إيثيلين ببطء من المحلول، من خلال التحكم الدقيق في ناتئ مجهر القوة الذرية (AFM) والذي تم استخدامه أيضًا لقياس خصائص الألياف النهائية.
هذه الألياف توصل الكهرباء ثلاثمائة مرة أفضل من البولي إيثيلين العادي على طول محور الألياف الفردية، كما يشير الباحث الرئيسي جانج تشن، أستاذ الهندسة الكهربائية في معهد أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
الموصلية الحرارية العالية يمكن أن تجعل هذه الألياف مفيدة لتبديد الحرارة في العديد من التطبيقات التي تستخدم فيها المعادن اليوم، مثل مجمعات الطاقة الشمسية لتسخين المياه، ومحولات الحرارة والمكونات الإلكترونية المختلفة.
ويوضح الباحث الرئيسي أن معظم المحاولات السابقة لإعداد البوليمرات ذات الموصلية الحرارية المحسنة ركزت على دمجها مع مواد أخرى، مثل أنابيب الكربون النانوية، ولكن في هذه المواد المجمعة لوحظ فقط زيادة معتدلة في الموصلية بسبب الواجهة بين النوعين من المواد تميل إلى إضافة مقاومة للحرارة. ويشير الباحث إلى أن "الواجهات تعمل في الواقع على تبديد الحرارة، لذلك لم يتم الحصول على أي تحسن كبير". ومع ذلك، باستخدام هذه الطريقة الجديدة، تم زيادة الموصلية إلى حد كبير بحيث أصبحت أفضل من نصف المعادن النقية، بما في ذلك الحديد والبلاتين.
يوضح أحد الباحثين أن إنشاء ألياف جديدة، حيث يتم ترتيب جميع خيوط البوليمر في نفس الاتجاه بدلاً من أن تكون خارجة عن الترتيب، يتطلب عملية من خطوتين. يتم أولاً تسخين البوليمر وسحبه، ثم تسخينه مرة أخرى لتمديده بشكل أكبر. "بمجرد أن يتصلب في درجة حرارة الغرفة، لم يعد من الممكن أن يتشوه إلى حد كبير"، يوضح الباحث الرئيسي.
يقول الباحث الرئيسي إن فوائد أكبر قد تظهر مع تحسن الطريقة، مشيرًا إلى أنه حتى النتائج التي تم الحصول عليها حتى الآن تمثل أعلى موصلية حرارية تم تحقيقها حتى الآن في المواد البوليمرية. بالفعل، يمكن لمستوى الموصلية الذي تم الحصول عليه، إذا كان من الممكن إنتاج هذه الألياف على نطاق صناعي، أن يوفر بديلاً أرخص للمعادن المستخدمة لتفريق الحرارة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، خاصة في تلك التي تكون فيها خصائص الاتجاه مهمة. مثل المبادلات الحرارية (مثل الأنابيب الأسطوانية الموجودة في الجزء الخلفي من الثلاجة أو في مكيف الهواء)، أو علب الهواتف المحمولة، أو العبوات البلاستيكية لرقائق الكمبيوتر. سيكون من الممكن التخطيط لتطبيقات أخرى تستفيد من مزايا المادة المبتكرة مثل مزيج فريد من التوصيل الحراري مع الوزن المنخفض والاستقرار الكيميائي والعزل الكهربائي. حتى الآن، نجح الفريق في إنتاج ألياف فردية في بيئة مختبرية، كما يقول الباحث، لكننا "نأمل أن نتمكن في المستقبل من نقل الإنتاج إلى نطاق صناعي"، مع إنتاج أسطح كاملة من المادة المبتكرة. بنفس الخصائص.
ويقول رافي براشر، المهندس في شركة الرقائق إنتل، إن "نتائج هذا البحث مهمة للغاية" وستكون قادرة على المساعدة في تطوير العديد من التطبيقات في مجال الإلكترونيات. ويبقى السؤال المطروح هو إلى أي مدى سيكون من الممكن نقل عملية الإنتاج إلى نطاق تجاري، وكيف سيكون من الممكن دمج هذه الألياف في التطبيقات العملية.
תגובה אחת
مثير جدا! من الجميل أن نرى أنه مع مرور كل يوم نجد المزيد من التعبيرات عن تقنيات النانو والمواد المعتمدة على الكربون. يقال في هذا المقال أن المادة التي تم إنشاؤها في شكلها المنظم توصل 3 مرات أكثر من نفس المادة في شكلها المضطرب وأن هذا التوصيل أفضل من الحديد والبلاتين. ومن المثير للدهشة أن نعرف أن ثلاثة أوامر فقط من حيث الحجم تفصل موصلية المعدن عن موصلية الكربوهيدرات. قد تعتقد أن الأمر أكبر من ذلك بكثير، ولكن من الواضح أن الفجوة ليست في السماء وقد أظهروا بالفعل أنه يمكن سدها بمساعدة التلاعب بالمواد. مثير