تمكن العلماء من تطوير طريقة جديدة لتحويل الحرارة إلى كهرباء باستخدام مادة الديسيلينيد التنجستن (WSi2)، وهو اكتشاف يمثل أول تجسيد لتحويل الحرارة عبر الظاهرة الحرارية المستعرضة في هذه المادة. تم هذا الإنجاز من قبل فريق من الباحثين في جامعة طوكيو للعلوم، ما يفتح الأفق أمام تقنيات أكثر كفاءة في مجال الأجهزة الحرارية الكهربائية.

التحويل الحراري المستعرض: تقنية جديدة وواعدة

قال الأستاذ المساعد ريوجي أوكازاكي، قائد الفريق البحثي من قسم الفيزياء والفلك في الجامعة: "التحويل الحراري المستعرض هو ظاهرة أصبحت تحظى باهتمام متزايد كونها تكنولوجيا محورية جديدة في أجهزة الاستشعار القادرة على قياس درجات الحرارة وتدفق الحرارة". ومع ذلك، أضاف أوكازاكي أنه على الرغم من وجود عدد محدود من المواد القادرة على ذلك، إلا أنه لم يتم حتى الآن وضع إرشادات تصميم محددة لهذه التقنية.

وقد تم نشر هذه الدراسة في مجلة PRX Energy، حيث تم إجراء تجارب بحثية وحسابات محاكاة على الخصائص النقلية لبلورات WSi2 الأحادية.

التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية: فهم الخصائص الفريدة للمادة

اعتمد الباحثون في تحليل خصائص WSi2 على مزيج من التجارب الفيزيائية والمحاكاة الحاسوبية. قاموا بقياس القوة الحرارية، والمقاومة الكهربائية، والتوصيل الحراري لبلورة WSi2 على محاورها البلورية المختلفة عند درجات حرارة منخفضة. وكشفت النتائج أن ت polarity التوصيل المعتمدة على المحور (ADCP) في WSi2 تنبع من تركيبها الإلكتروني الفريد، الذي يتميز بسطوح فيرمي ذات أبعاد مختلطة.

السطوح الفيرمية: تكوين هيكل إلكتروني مميز

السطوح الفيرمية هي سطح هندسي نظري يفصل بين الحالات الإلكترونية المشغولة وغير المشغولة داخل المادة. في WSi2، تشكل الإلكترونات أسطح فيرمي شبه أحادية البُعد، بينما تشكل الثقوب أسطح فيرمي شبه ثنائية البُعد. هذه الأسطح الفيرمية الفريدة تخلق توصيلية معتمدة على الاتجاه، مما يمكن من تحقيق تأثير التحويل الحراري المستعرض.

إثبات تأثير التحويل الحراري المستعرض في WSi2

لتوضيح تأثير التحويل الحراري المستعرض، قام الباحثون بتطبيق تدرج حراري بزاوية 45 درجة بالنسبة للمحور البلوري. وقد لاحظوا خصائص نقل تعتمد بشكل قوي على العينة، وهو ما تم ملاحظته في دراسات سابقة، وأظهرت الحسابات الأولى أن هذه الخصائص النقلية المعتمدة على العينة تنشأ من معدلات تشتت الناقلات المعتمدة على الشريط.

ملاحظات حول الناقلات الكهربائية وتفاوت التوصيلية

في الدراسة، أشار الباحثون إلى أنهم لاحظوا تفاوتات في كيفية توصيل هذه الناقلات الكهربائية من عينة إلى أخرى، وهو ما يتفق مع الدراسات السابقة. باستخدام المحاكاة على أساس المبادئ الأولى، أظهر الباحثون أن هذه التفاوتات كانت بسبب الاختلافات في كيفية تشتت الناقلات نتيجة للعيوب في هيكل الشبكة البلورية لـ WSi2.

أهمية هذه الاكتشافات في تطوير الأجهزة الحرارية الكهربائية

تعتبر هذه الرؤية أساسية لتحسين المادة وتطوير أجهزة حرارية كهربائية موثوقة. علاوة على ذلك، أظهر الباحثون توليد التأثير الحراري المستعرض بشكل مباشر في WSi2 من خلال تطبيق فرق في درجات الحرارة على زاوية معينة بالنسبة للمحاور البلورية، ما أدى إلى توليد فولتية عمودية على فرق الحرارة، وفقا للدراسة.

خطوات نحو مستقبل أكثر كفاءة في الطاقة

يمثل هذا الاكتشاف خطوة كبيرة نحو تطوير تقنيات جديدة لتحويل الحرارة إلى كهرباء بكفاءة أكبر، مع هذه المعرفة الجديدة حول خصائص WSi2، قد يكون من الممكن تحسين التصميمات الحالية للأجهزة الحرارية الكهربائية لتحقيق أداء أفضل وأكثر استدامة.