1 مقدمة: أهمية التوصيل الحراري في المواد النانوية
المواد النانوية جزء لا يتجزأ من التقنيات الرئيسية الحديثة. فهي تُستخدم في مجالات مثل الإلكترونيات النانوية وتكنولوجيا البطاريات والتكنولوجيا الطبية وصناعة الطاقة. تتيح خصائصها الفيزيائية الاستثنائية تطبيقات لا يمكن تحقيقها باستخدام المواد التقليدية.
وإحدى الخصائص الجديرة بالملاحظة بشكل خاص للمواد النانوية هي توصيلها الحراري، والتي غالبًا ما تتصرف بشكل مختلف عن المواد السائبة بسبب أبعادها المكانية المنخفضة. ويفتح ذلك مجالات جديدة للتطبيق مثل زيادة كفاءة أنظمة الإدارة الحرارية والمواد الكهروحرارية والعزل الحراري للمكونات عالية الأداء.
ونظرًا لصغر حجم العينة وبنية المواد غير المتجانسة في كثير من الأحيان والتأثيرات البينية الخاصة، فإن الطرق التقليدية لقياس الخواص الحرارية لا تكون قابلة للتطبيق دائمًا وتشكل تحديًا خاصًا. لذلك تتطلب المواد الجديدة باستمرار تقدمًا متزامنًا في تقنيات القياس من أجل الحصول على بيانات موثوقة وقابلة للتكرار وذات صلة بالتطبيق.
2- أساسيات تكنولوجيا القياس للمواد النانوية
2.1. الطرق التقليدية وحدودها
في علم المواد، هناك العديد من الطرق المتعارف عليها لقياس الانتشار الحراري. طريقة
طريقة الوميض الليزري (LFA)
على سبيل المثال، تُستخدم على نطاق واسع وتوفر نتائج سريعة. يتم تسخين الجانب السفلي للعينة بواسطة نبضة ليزر قصيرة ويتم تسجيل توزيع درجة الحرارة الناتج على الجانب العلوي بمرور الوقت. توفر هذه الطريقة معلومات عن الانتشار الحراري.
هذه الطريقة مناسبة تمامًا للعينات المدمجة، ولكنها تصل إلى حدودها مع المواد النانوية، حيث إن وقت الكشف عن ارتفاع درجة الحرارة المتأخر زمنيًا يشكل تحديًا مترولوجيًا حتى مع المواد العازلة بسبب صغر سمك العينة.
وهناك طريقة أخرى هي طريقة جهاز اللوحة التي تستخدم مصدر حرارة ثابت لتحديد التدفق الحراري داخل العينة. ومع ذلك، فهي تتطلب سمكاً كبيراً للعينة من أجل استبعاد التأثيرات البينية. وهذه الطريقة غير مناسبة أيضًا للمواد النانوية. وتواجه طريقتا السلك الساخن والقرص الساخن نفس القدر من المشاكل، حيث يكون مصدر الحرارة على اتصال مباشر مع العينة، مما قد يؤدي إلى أخطاء في القياس بسبب مقاومة التلامس.
2.2. التحديات التي تواجه قياس المواد النانوية
يتطلب توصيف الموصلية الحرارية للمواد النانوية طرقًا يمكنها التعامل مع كميات العينات الصغيرة للغاية. وتتمثل التحديات الخاصة في
- أحجام العينات الصغيرة التي تتطلب طرق قياس دقيقة وغير مدمرة
- هياكل المواد غير المتجانسة التي يمكن أن تؤدي إلى خصائص توصيل حراري متباينة الخواص
- مقاومات التلامس التي يمكن أن تزيف القيم المقاسة عند تطبيق المستشعرات مباشرة على العينة
3- مجالات تطبيق قياس الموصلية الحرارية للمواد النانوية
3.1. الإلكترونيات الدقيقة والمواد عالية الأداء
لقد أحدثت المواد النانوية ثورة في صناعة الإلكترونيات، خاصةً في مجال الإلكترونيات الدقيقة، والتي تتيح الآن إمكانيات جديدة للتوسع وتواصل تحقيق قانون مور. ومع ذلك، فإن تصغير حجم المكونات الإلكترونية ليس له مزايا فقط لأنه يتطلب حلول إدارة حرارية أكثر كفاءة، حيث أن كثافة الطاقة العالية غالباً ما تؤدي إلى مشاكل ارتفاع درجة الحرارة.
وتمثل الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs) وصفائح الجرافين النانوية، التي يتم استخدامها بشكل متزايد للإدارة الحرارية في المعالجات الدقيقة ومكونات أشباه الموصلات ومواد الواجهة الحرارية، حلاً واعداً.
تتيح هذه المواد تبديد الحرارة بشكل أسرع وتمنع الضرر الحراري للمكونات الحساسة. تشير الدراسات إلى أن الاستخدام المستهدف للمواد النانوية يمكن أن يحسن بشكل كبير من عمر الخدمة وأداء الإلكترونيات عالية الأداء.
3.2. المواد الكهروحرارية
المولدات الكهروحرارية ( TEG ) تحويل الحرارة مباشرةً إلى طاقة كهربائية وتزداد أهميتها بشكل متزايد، لا سيما في استخدام الحرارة المهدرة من العمليات الصناعية أو في قطاع السيارات.
تُظهر المواد ذات البنية النانوية مثل تيلورايد البزموت (Bi₂Te₃) خصائص كهربائية حرارية محسنة، حيث أن سطحها النانوي يعطل انتقال الفونون ويقلل من التوصيل الحراري مع الحفاظ على التوصيل الكهربائي. وهذا يزيد بشكل كبير من كفاءة المواد الكهروحرارية الحرارية، مما يجعلها أكثر جاذبية لتطبيقات الطاقة المستدامة.
3.3. السوائل النانوية في نقل الحرارة
تُستخدم السوائل النانوية، أي السوائل الممزوجة بجسيمات نانوية، لتحسين نقل الحرارة في أنظمة التبريد. ومن خلال زيادة التوصيل الحراري والقدرة الحرارية لمواد التبريد، تتيح السوائل النانوية تبديد الحرارة بكفاءة أكبر في المبادلات الحرارية والمجمعات الشمسية وأنظمة تبريد المحركات.
وقد أثبتت جزيئات أكسيد المعادن النانوية مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) أو أكسيد النحاس (CuO) فعاليتها بشكل خاص، حيث يمكنها زيادة التوصيل الحراري للمبردات التقليدية بشكل كبير.
3.4. البناء وكفاءة الطاقة
تلعب المواد النانوية أيضًا دورًا مهمًا في صناعة البناء والتشييد. فهي تستخدم لتطوير مواد بناء موفرة للطاقة تنظم انتقال الحرارة وبالتالي تساعد على تقليل استهلاك الطاقة في المباني.
تعمل الجسيمات النانوية في المواد العازلة على تحسين خصائص العزل للخرسانة والزجاج، في حين أن الطلاء النانوي العاكس على النوافذ يمكن أن يقلل من تكاليف التبريد في المناخ الحار.
3.5. التطبيقات الطبية
في الطب الحيوي، تُستخدم المواد النانوية للتطبيق المستهدف للحرارة، على سبيل المثال في العلاج بفرط الحرارة لعلاج السرطان. وهنا، يتم إدخال جسيمات نانوية مغناطيسية في أنسجة الورم وتسخينها بواسطة مجال مغناطيسي من أجل تدمير الخلايا السرطانية بشكل انتقائي.
يعد القياس الدقيق للتوصيل الحراري لهذه المواد أمرًا بالغ الأهمية لضمان اقتصار انتشار الحرارة على أنسجة الورم دون الإضرار بالأنسجة السليمة المحيطة بها.
4 - دراسات الحالة - أمثلة عملية من التطبيق
أظهرت القياسات التي أُجريت على الأنابيب النانوية الكربونية (CNTs ) أن توصيلها الحراري يختلف بشكل كبير اعتمادًا على التشتت واتجاه الجسيمات.
ووجد الباحثون أن تحسين توزيع الجسيمات يمكن أن يزيد من التوصيل الحراري بنسبة تصل إلى 50%.
مثال آخر هو المركبات النانوية القائمة على الجرافين في الإلكترونيات الدقيقة، والتي تم تحسينها من خلال التوصيف الحراري الدقيق.
5 - الآفاق المستقبلية - التطورات الجديدة في تكنولوجيا القياس
ستركز التطورات المستقبلية على
- طرق القياس غير التلامسية مثل القياس الحراري بالرنين المغناطيسي رامان
- التحليلات المدعومة بالذكاء الاصطناعي لتقييم مجموعات البيانات الكبيرة بكفاءة
- أجهزة استشعار مصغرة تكتشف بدقة الخصائص الحرارية على مقياس النانو
6 الخاتمة - أهمية قياسات التوصيل الحراري الدقيقة
الموصلية الحرارية عامل حاسم في علم المواد. وفي المستقبل، سيفتح الجمع بين الذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا الاستشعار بدون تلامس وتقييم البيانات عالية الدقة إمكانيات جديدة لتوصيف المواد النانوية وتحسينها.
المراجع
- جامعة بازل: توصيل حراري أفضل بفضل الترتيب الذري المعدل
https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Bessere-Waermeleitfaehigkeit-dank-geaenderter-Atomanordnung.html - وزارة البيئة وحماية المستهلك في ولاية بافاريا: المواد الكهروحرارية
https://www.nanowissen.bayern.de/forschung/umweltnanotech/doc/p07_bericht_160921.pdf - بوابة KI-Portal: السوائل النانوية لتحسين نقل الحرارة
https://www.ki-portal.de/wp-content/uploads/featured_image/030_nikolaus_wissen.pdf
