أظهر علماء من جامعة أوغسبورغ الألمانية وجامعة ميشيغان الأمريكية إمكانية التحكم في خصائص نقل الحرارة داخل المواد النانوية بدقة غير مسبوقة، وذلك من خلال تعديل ذرة واحدة فقط داخل بنية جزيئية عضوية.

تبريد المواد النانوية ( مصدر الصورة: Unsplash )

وقد نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة Nature Materials العلمية المتخصصة.

تقليل الحرارة دون التأثير على الكهرباء

اعتمدت التجربة على جزيء يُعرف باسم بنزول دي أمين، تم استخدامه كجسر صغير يربط بين قطبين كهربائيين من الذهب.

قام الباحثون باستبدال ذرة هيدروجين واحدة داخل الحلقة البنزية بعناصر هالوجينية مختلفة، وهي:

الفلور

الكلور

البروم

اليود

وأظهرت النتائج أن:

التوصيل الكهربائي بقي شبه ثابت دون تغير يُذكر

بينما انخفض نقل الحرارة بشكل كبير مع زيادة كتلة الذرة المستبدلة

تطوير حساس دقيق لقياس الحرارة على المستوى الذري

لرصد هذه التغيرات الدقيقة جدا، طور العلماء مستشعرا حراريا متقدما يعتمد على مادة نيتريد النيوبيوم.

وقد أُجريت التجارب عند درجات حرارة منخفضة جدا تصل إلى نحو -180 درجة مئوية، بهدف تقليل الضوضاء الحرارية وتحقيق دقة قياس عالية على مستوى الذرات.

تفسير الظاهرة: كسر تناظر الجزيء

أوضحت الحسابات النظرية التي أجراها فريق جامعة أوغسبورغ أن استبدال ذرة خفيفة بأخرى أثقل يؤدي إلى:

كسر تناظر الجزيء الداخلي

تعطيل التداخل البنّاء للاهتزازات البلورية

ظهور حالات رنين مضاد تقلل انتقال الحرارة

ومع استخدام عناصر ثقيلة مثل البروم أو اليود، ينخفض انتقال الحرارة بنسبة قد تصل إلى حوالي النصف.

تطبيقات مستقبلية في صناعة الإلكترونيات

يمثل هذا الاكتشاف خطوة مهمة نحو:

فصل التحكم في الحرارة عن التحكم في التيار الكهربائي

تطوير مواد نانوية متقدمة لإدارة الحرارة

تصميم شرائح إلكترونية أكثر كفاءة وأقل عرضة لارتفاع الحرارة

تحسين أنظمة تبريد المعالجات فائقة الأداءومن المتوقع أن يساهم هذا النهج في تطوير مواد عضوية معدنية قادرة على توصيل الكهرباء بكفاءة عالية مع تقليل الحرارة غير المرغوب فيها.