يتحدى المعدن الجديد ذو التوصيل الحراري الثلاثي للنحاس الفيزياء الأساسية

يتحدى الموصل الحراري الفائق الفيزياء الأساسية

بقلم راشيل نوير حرره سارة لوين فريزر

ينقل النحاس حرارة العالم. لأكثر من قرن من الزمان، تم الاعتراف به كواحد من أفضل موصلات الحرارة في الطبيعة، وهذه الخاصية جعلت من النحاس الخيار الأمثل لتبريد الأجهزة الإلكترونية والمعدات الصناعية ومراكز البيانات وأنظمة الطاقة. ولكن هناك معدن جديد ورائع في المدينة.

كما ورد في علوم, حققت مادة معدنية تسمى نيتريد التنتالوم المرحلة θ موصلية حرارية تبلغ حوالي 1110 واط لكل متر كلفن، أي أعلى بثلاث مرات تقريبًا من النحاس الذي يبلغ 400 واط لكل متر كلفن. وهو يعمل بطريقة لم يرها العلماء من قبل. يقول المؤلف الرئيسي يونججي هو، الفيزيائي والمهندس بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس: “تكسر نتيجتنا السقف التاريخي لنقل الحرارة في المواد المعدنية”. “نظرًا للأداء المتفوق (لهذا الموصل)، فإنه لديه القدرة على تكملة النحاس أو حتى استبداله.”

على غرار الطريقة التي يمكن أن يشكل بها الكربون النقي الماس أو الجرافين أو غيرها من الهياكل، فإن نيتريد التنتالوم موجود في أشكال متعددة بخصائص مختلفة جدًا. لقد عرف العلماء عن بعض هذه الأشكال منذ عقود، ولكن حتى الآن لم يدرس أحد التكوين المحدد الذي ركز عليه هو وزملاؤه، والذي يتم فيه ترتيب ذرات المادة في شبكة بلورية مستمرة ومرتبة للغاية. في هذا الهيكل، وجد الباحثون أن كلا من الإلكترونات وحزم الطاقة الاهتزازية التي تسمى الفونونات، والتي تحمل الحرارة والصوت، واجهت مقاومة أقل مقارنة بالمعادن التقليدية، مما سمح لها بتوصيل الحرارة بشكل أفضل.

حول دعم الصحافة العلمية

إذا كنت تستمتع بهذا المقال، ففكر في دعم صحافتنا الحائزة على جوائز من خلال الاشتراك. من خلال شراء اشتراك، فإنك تساعد على ضمان مستقبل القصص المؤثرة حول الاكتشافات والأفكار التي تشكل عالمنا اليوم.

وكشفت المادة أيضًا عن استراتيجية غير مستكشفة سابقًا لتعزيز التوصيل الحراري المعدني. في المعادن العادية، كثيرًا ما تتعطل الفونونات عن طريق الاصطدامات مع بعضها البعض ومع الإلكترونات، مما يقلل من قدرتها على تبديد الحرارة. في شكل نيتريد التنتالوم الذي درسه هو وزملاؤه، يسمح التركيب الذري للشبكة البلورية للفونونات بالسفر لمسافات طويلة بشكل غير عادي مع الحد الأدنى من التداخل. يقول هو إن هذا الاكتشاف يوفر اتجاهًا جديدًا للعلماء الذين يقومون بتصميم مواد حرارية من الجيل التالي.

يقول شياو جيا وانج، المهندس الميكانيكي بجامعة مينيسوتا، الذي لم يشارك في البحث، إن نتائج الدراسة “تعد استثنائية ومهمة من الناحية النظرية”. وتقول إن الفريق تحقق بدقة من قياساته، مما يشير إلى أنها قوية، وإذا أمكن تصنيع المادة على نطاق واسع، فقد يكون لها “تأثير كبير” على الإدارة الحرارية للإلكترونيات ومراكز البيانات وأنظمة الطاقة.

ويضيف هو أن نيتريد التنتالوم ذو الطور θ يمكن أن يكون ذو قيمة خاصة، مع اكتساب الذكاء الاصطناعي استخدامًا أكثر انتشارًا، ويصبح تبديد الحرارة بمثابة عنق الزجاجة في مركز البيانات. بالنسبة لعلماء المواد، يمكن لهذا العمل أيضًا أن يكون مصدر إلهام لتحدي القيود الأخرى القائمة منذ فترة طويلة. “هل نفهم حقًا أين تكمن الحدود الحقيقية، أم أن الحدود التي افترضنا لعقود من الزمن أنها أساسية تعكس ببساطة أدواتنا وفهمنا الحالي؟” يسأل هو. “الآن بعد أن تم تحطيم الرقم القياسي للتوصيل الحراري، فإن ذلك يجعلنا نعيد التفكير فيما إذا كان من الممكن أيضًا كسر الحدود المفترضة الأخرى في فيزياء المواد.”

حان الوقت للدفاع عن العلم

إذا استمتعت بهذا المقال، أود أن أطلب دعمكم. العلمية الأمريكية لقد عمل كمدافع عن العلوم والصناعة لمدة 180 عامًا، وربما تكون اللحظة الحالية هي اللحظة الأكثر أهمية في تاريخ القرنين.

لقد كنت العلمية الأمريكية مشترك منذ أن كان عمري 12 عامًا، وقد ساعد ذلك في تشكيل الطريقة التي أنظر بها إلى العالم. SciAm يثقفني ويسعدني دائمًا، ويلهمني شعورًا بالرهبة تجاه عالمنا الواسع والجميل. وآمل أن يفعل ذلك بالنسبة لك أيضا.

إذا كنت الاشتراك في العلمية الأمريكيةأنت تساعد في ضمان أن تغطيتنا تركز على البحث والاكتشاف الهادف؛ وأن لدينا الموارد اللازمة للإبلاغ عن القرارات التي تهدد المختبرات في جميع أنحاء الولايات المتحدة؛ وأننا ندعم العلماء الناشئين والعاملين على حد سواء في وقت لا يتم فيه الاعتراف بقيمة العلم نفسه في كثير من الأحيان.

وفي المقابل، تحصل على الأخبار الأساسية، ملفات بودكاست آسرة، ورسوم بيانية رائعة، لا يمكنك تفويت النشرات الإخبارية ومقاطع الفيديو التي يجب مشاهدتها، ألعاب التحدي، وأفضل الكتابة والتقارير في عالم العلوم. يمكنك حتى إهداء شخص ما اشتراكًا.

لم يكن هناك وقت أكثر أهمية بالنسبة لنا للوقوف وإظهار أهمية العلم. آمل أن تدعمونا في تلك المهمة.