دانشمندان یک ماده معدنی نادر در شهاب‌سنگ‌ها و مریخ کشف کرده‌اند که رسانایی گرمایی آن با تغییر دما ثابت می‌ماند.
به گزارش تکناک، این ماده معدنی کمیاب نه کاملاً بلوری است و نه کاملاً شیشه‌ای و برخلاف تمام مواد شناخته‌شده، قوانین گرما را نقض میکند. این ویژگی می‌تواند مسیر طراحی مواد مقاوم در برابر اختلاف دمای شدید را تغییر دهد.
فهرست مطالب
چرا رسانایی گرمایی مهم است؟
رسانایی گرمایی، یعنی نحوه انتقال گرما در یک ماده، در بسیاری از فناوری‌های نوین نقش اساسی دارد، که از جمله آنها می‌توان به کوچک‌سازی و بهینه‌سازی تجهیزات الکترونیکی، بازیافت گرمای هدررفته برای تولید انرژی و افزایش عمر سپرهای حرارتی در صنایع هوافضا اشاره کرد.
عملکرد و دوام این مواد به ترکیب شیمیایی و آرایش اتمی آنها (اعم از بلوری، شیشه‌ای یا نانوساختاری) وابسته است.
چگونگی کشف این ماده معدنی نادر
در پژوهشی که ۱۱ ژوئن در مجله PNAS منتشر شد، پژوهشگری به نام میکله سیمونچلی به همراه همکاران خود از مؤسسه فناوری فدرال لوزان و دانشگاه ساپینزا، وجود ماده‌ای را پیش‌بینی کردند که رفتار حرارتی آن ترکیبی از بلورها و شیشه‌ها است.
بعدتر، پژوهشگران دانشگاه سوربن پاریس این پیش‌بینی را با آزمایش روی نمونه‌های واقعی تأیید کردند.
این ماده منحصربه‌فرد نخستین بار در شهاب‌سنگ‌ها شناسایی شد، همچنین بر سطح مریخ نیز یافت شده است. ویژگی‌های فیزیکی آن می‌تواند الهام‌بخش طراحی مواد جدیدی باشد، که در برابر اختلاف دمای شدید مقاومت کنند و حتی سرنخ‌هایی از تاریخ حرارتی سیارات ارائه دهند.
تأثیر ساختار اتمی بر گرما
به‌طور معمول، بلورها دارای شبکه اتمی منظم هستند و با افزایش دما، رسانایی گرمایی آنها کاهش می‌یابد. در مقابل، شیشه‌ها ساختار اتمی بی‌نظم دارند و رسانایی گرمایی آنها با افزایش دما بالا می‌رود.
سیمونچلی و همکاران او در سال ۲۰۱۹، یک معادله کلی ارائه دادند که می‌تواند رفتار هر دو نوع ماده (منظم و نامنظم) را توضیح دهد. این معادله حتی قادر است رفتار مواد نیمه‌منظم یا ناقص را هم پیش‌بینی کند؛ موادی که در فناوری‌هایی مثل ترموالکتریک‌ها، سلول‌های خورشیدی پروسکایتی و پوشش‌های حرارتی کاربرد دارند.
سیلیس شهاب‌سنگی با ثبات حرارتی کم‌نظیر
پژوهشگران با کمک این معادله توانستند ساختار و رسانایی گرمایی نوع خاصی از سیلیس به نام تریدیمیت را بررسی کنند. تریدیمیت یکی از شکل‌های دی‌اکسید سیلیکون است، که در دهه ۱۹۶۰ به عنوان ماده‌ای شاخص در شهاب‌سنگ‌ها شناخته شد.
این ماده رفتار عجیبی دارد و رسانایی گرمایی آن با تغییر دما تقریباً ثابت می‌ماند، در حالی که رسانایی گرمایی مواد با دما تغییر میکند.
تیم پژوهشی دانشگاه سوربن برای آزمایش این پیش‌بینی، اجازه ویژه‌ای گرفت تا نمونه‌ای از ماده تریدیمیت را بررسی کند؛ این نمونه از شهاب‌سنگی بود که در سال ۱۷۲۴ در شهر اشتاینباخ آلمان سقوط کرده بود.
نتیجه آزمایش بسیار جالب بود: رسانایی گرمایی این ماده در بازه دمایی بین ۸۰ تا ۳۸۰ کلوین تقریباً بدون تغییر باقی ماند، در حالی که رسانایی گرمایی با تغییر دما بالا یا پایین می‌رود.
کاربردهای صنعتی ماده معدنی نادر
پژوهش‌ها نشان می‌دهد که این نوع خاص از تریدیمیت می‌تواند به‌مرور زمان و پس از سال‌ها استفاده، در آجرهای نسوز کوره‌های فولادسازی شکل بگیرد.
از آنجا که تولید فولاد مقدار زیادی دی‌اکسید کربن وارد هوا میکند (به طور میانگین برای هر کیلوگرم فولاد حدود ۱٫۳ کیلوگرم دی‌اکسید کربن تولید می‌شود)، استفاده از موادی مثل تریدیمیت که گرما را بهتر کنترل می‌کنند، می‌تواند به کاهش مصرف انرژی و کاهش آلودگی کربنی در صنعت فولاد کمک کند.
هوش مصنوعی، فیزیک کوانتومی و آینده کنترل گرما
در این پژوهش، سیمونچلی از روش‌های یادگیری ماشینی استفاده کرد تا بتواند معادلات پیچیده مکانیک کوانتومی را با دقت بالا حل کند.
فرایندهای کوانتومی که جریان گرما را در مواد ترکیبی (هیبریدی) کنترل می‌کنند، می‌توانند به دانشمندان کمک نمایند تا رفتارهای دیگر در مواد جامد، مثل حرکت الکترون‌ها یا ذرات مغناطیسی (مگنون‌ها) را بهتر درک کنند.
این زمینه تحقیقاتی می‌تواند باعث ساخت فناوری‌های پیشرفته‌ای شود؛ مثل دستگاه‌های پوشیدنی که با گرمای بدن کار می‌کنند، رایانه‌هایی با ساختار شبیه مغز انسان (رایانش نورومورفیک)، همچنین ابزارهای جدیدی در حوزه اسپینترونیک که از ویژگی‌های مغناطیسی الکترون‌ها استفاده می‌کنند.
کشف تریدیمیت شهاب‌سنگی با رسانایی گرمایی ثابت، نه‌تنها دیدگاه تازه‌ای به فیزیک مواد می‌دهد، بلکه مسیر طراحی مواد مقاوم در برابر شرایط دمایی سخت را برای صنایع کلیدی هموار میکند.
