تجاوز فيلم العزل الحراري أي مادة طبيعية في الخصائص

ابتكر فريق دولي من علماء المواد طبقة رقيقة تتفوق في خصائص العزل الحراري على أي مادة طبيعية كثيفة، وتقترب جدًا من الحد الأدنى النظري للتوصيل الحراري. تم وصف التطور في المجلة تقدم العلوم.

“المواد الصلبة التي تحتفظ بالحرارة جيدًا ستكون مفيدة جدًا في مجموعة متنوعة من المجالات، بدءًا من أدوات المطبخ إلى الإلكترونيات ورحلات الفضاء. ولكن ليس من السهل الحصول عليها – فالمواد الصلبة، كقاعدة عامة، توصل الحرارة جيدًا، بينما تحميها المواد الناعمة جيدًا. يقول البروفيسور دالي صن من جامعة ولاية كارولينا الشمالية، وأحد قادة الدراسة: “إن تصميمنا قوي جدًا وعازل للغاية للحرارة – أفضل من أي مادة يمكن العثور عليها في الطبيعة”.

ويضيف زميله والمؤلف المشارك جون ليو: “لقد أظهرنا بالفعل مزيجًا من الصلابة والتوصيل الحراري في فئة واحدة محددة من المواد. وفي هذا العمل، قمنا بتطبيق هندسة جزيئية أكثر تقدمًا لتحسين كليهما”.

لقد عمل العلماء باستخدام المواد الأكثر تقدمًا اليوم – البيروفسكايت ثنائي الأبعاد. هذه هي أشباه الموصلات ذات الأغشية الرقيقة التي تتكون من طبقات عضوية وغير عضوية متناوبة مع بنية بلورية عالية الترتيب. ومن خلال استبدال جزء من سلاسل الكربون في الطبقات العضوية بمجموعة مختارة خصيصًا من حلقات البنزين، يمكن التحكم في صلابة المادة والتوصيل الحراري لها.

ومن أجل الاختبار، قام الباحثون بتصنيع طبقة رقيقة من يوديد الرصاص الآزوبنزين إيثيل الأمونيوم. أظهرت القياسات أنه في درجة حرارة الغرفة تبلغ الموصلية الحرارية للمادة حوالي 0.04 واط⋅م⁻¹⋅ك⁻¹. للمقارنة: بالنسبة للسيليكون، هذا الرقم هو 0.2 W⋅m⁻¹⋅K⁻¹، أي أن المادة الصلبة الجديدة لديها موصلية حرارية أقل بخمس مرات.

لكن السيليكون يستخدم للعزل الحراري – على سبيل المثال، في شكل إدراجات في قفازات الفرن. يقول ليو: “بالمقارنة مع السيليكون، فإن مادتنا أكثر صلابة بمقدار 700 إلى 10000 مرة وأفضل بخمس مرات في الاحتفاظ بالحرارة”.

وبالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على ثلاثة أفلام أخرى مع الكاتيونات العضوية الأخرى:

• بوتيل الأمونيوم (سلسلة أليفاتية)؛
• فينيل إيثيل الأمونيوم (حلقة بنزين واحدة)؛
• ستيلبينثيل الأمونيوم (حلقتان، C=C).

إنها أقل جودة قليلاً في العزل الحراري وهي متشابهة جدًا في المظهر – أغشية رقيقة ذات لون أصفر برتقالي مع لمعان مرآة.

يقول ليو سعيدًا: “إن الطريقة التي نحصل بها على هذه المادة قابلة للتطوير بسهولة تامة. ويمكن إنتاجها بكميات كبيرة، وتطبيقها كطلاء، وما إلى ذلك”.

وخلص إلى أن الفيلم جيد جدًا، لكن الإنجاز الرئيسي في هذا العمل هو الفعالية المثبتة في الضبط الدقيق لخصائص المواد الجديدة باستخدام أساليب الهندسة الجزيئية.

اشترك واقرأ “العلم” في

الأعلى