طريق الحرارة السريع: مسار الجرافيت الشبيه بالسائل لتبديد الحرارة في الإلكترونيات
يستخدم الباحثون في معهد العلوم الصناعية بجامعة طوكيو الجرافيت المنقى نظيرًا لدراسة ظاهرة تدفق الحرارة مثل السوائل، والتي يمكن أن تؤدي إلى أجهزة جديدة لتبديد الحرارة للإلكترونيات.
الائتمان: معهد العلوم الصناعية، جامعة طوكيو
اكتشف الباحثون أن الحرارة يمكن أن تتحرك مثل سائل في الجرافيت المنقى في ظل ظروف محددة، مما يؤدي إلى إزالة الحرارة بشكل أكثر كفاءة في الأجهزة الإلكترونية.
لوحظت هذه الظاهرة، المسماة “تدفق phonon Poiseuille”، بأكثر من ضعف التوصيل الحراري للجرافيت الطبيعي ولها تطبيقات محتملة في الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر ومصابيح LED.
درس علماء من معهد العلوم الصناعية في جامعة طوكيو تدفق الطاقة الحرارية في أشرطة من الجرافيت المنقى وأظهروا أن الحرارة يمكن أن تتحرك مثل السائل، بدلاً من الانتشار العشوائي، في ظل ظروف معينة.
يمكن أن يؤدي هذا العمل إلى إزالة الحرارة بشكل أكثر كفاءة من الأجهزة الإلكترونية، بما في ذلك الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر ومصابيح LED.
قبل الفهم الحديث للديناميكا الحرارية، اعتقد العلماء أحيانًا أن الحرارة مائع يسمى “كالوريك”.
ومع ذلك، نحن نعلم الآن أن الحرارة هي في الواقع الطاقة الحركية العشوائية التي تمتلكها الذرات أو الجزيئات المهتزة التي تشكل المادة.
في بعض الأحيان، يمكن التفكير في الاهتزازات من جسيمات مادية تسمى الفونونات ، والتي تعد المساهمين الرئيسيين في التوصيل الحراري في أشباه الموصلات.
في تطور مفاجئ، في بعض المواد مثل الجرافيت، قد تتصرف الفونونات بالفعل بطريقة مشابهة جدًا للسائل. ومع ذلك، ظلت هذه النظرية غامضة نسبيًا.
الآن، استخدم فريق من الباحثين بقيادة معهد العلوم الصناعية في جامعة طوكيو النتائج النظرية والتجريبية لفهم طبيعة الفونونات الشبيهة بالسوائل بشكل أفضل.
لقد أظهروا أنه عندما يتم تكوين عينة من الجرافيت من كربون نقي نظيرًا، مما يعني وجود ذرات كربون -12 فقط، يمكن إجراء الحرارة بسرعة أكبر، تقريبًا مثل تدفق الماء عبر أنبوب.
وقد أطلق على هذا اسم “تدفق phonon Poiseuille” استنادًا إلى نظرية تدفق السوائل اللزجة في أنبوب مغلق.
كان التأثير أقوى في الجرافيت عند درجة حرارة حوالي 90 كلفن. ومع ذلك، يحتوي الجرافيت الطبيعي على حوالي 1٪ نظائر أخرى للكربون، وخاصة الكربون 13، مما يحد من هذا التأثير في العينات الطبيعية.
يقول المؤلف الرئيسي الدكتور شين هوانغ: “أوضحت دراستنا المعايير النظرية لتشكيل تدفق فونون Poiseuille في الجرافيت، وهي مادة تُظهر تباينًا قويًا، وهو ما لم يكن واضحًا من قبل”.
الجرافيت، المعروف أيضًا باسم الرصاص الرصاص ، غير مكلف للغاية ويسهل إنتاجه. نتيجة لذلك، يتم استخدامه بالفعل لتبديد الحرارة في بعض الأجهزة الإلكترونية التي تنتج الكثير من الطاقة المهدرة أثناء التشغيل.
باستخدام الجرافيت المنقى الذي يحتوي على 0.02٪ كربون -13 بحد أقصى، تمكن الفريق من ملاحظة الموصلية الحرارية التي كانت أكثر من ضعف قيمة الجرافيت الطبيعي.
كانت حقيقة أن هذا التعزيز حدث فقط في نطاق درجة حرارة معينة دليلًا على أن الحركة الجماعية الشبيهة بالسوائل للفونونات كانت الآلية.
يقول البروفيسور ماساهيرو نومورا ، كبير المؤلفين: “في تدفق Poiseuille التقليدي، تكون السرعة أعلى بالقرب من المركز، وهو ما نقترح حدوثه مع الفونونات في تجاربنا”.
بالإضافة إلى الجرافيت، لوحظت هذه الظاهرة أيضًا في الهيليوم الصلب والفوسفور الأسود. من الناحية النظرية، هذه الظاهرة ممكنة أيضًا حتى في درجة حرارة الغرفة.
يمكن أن يساعد هذا العمل في الحفاظ على برودة معالجات الكمبيوتر الحساسة، حتى مع زيادة كثافتها داخل الأجهزة.
المصدر: scitechdaily
شاهد ايضا:
