حقق الباحثون تقدماً كبيراً في فهم الحركة الحرارية على المستوى الذري في المواد، وهو أمر بالغ الأهمية لتطوير تكنولوجيا التبريد في الحالة الصلبة. تستخدم هذه التقنية، التي تعمل بدون المبردات التقليدية أو الأجزاء المتحركة، مواد مثل سبائك النيكل والكوبالت والمنغنيز والإنديوم ذات الذاكرة المغناطيسية لاستغلال التأثير الحراري المغناطيسي للتبريد الفعال.
عمل الباحثون مؤخراً على سد فجوة معرفية بالغة الأهمية في الحركة الحرارية على المستوى الذري، وذلك من قبل فريق بحث بقيادة مختبر أوك ريدج الوطني التابع لوزارة الطاقة. يبشر هذا الفهم الجديد بتعزيز المواد لتطوير تقنية ناشئة تسمى تبريد الحالة الصلبة.
قفزة نوعية
إنه ابتكار صديق للبيئة، حيث يمكن للتبريد بالحالة الصلبة أن يبرد بكفاءة العديد من الأشياء في الحياة اليومية بدءاً من الطعام إلى المركبات وحتى الإلكترونيات – من دون الحاجة إلى سوائل أو غازات التبريد التقليدية أو الأجزاء المتحركة. سيعمل النظام من خلال نظام هادئ ومدمج وخفيف الوزن يسمح بالتحكم الدقيق في درجة الحرارة.
وبالرغم من أن اكتشاف المواد المحسنة واختراع أجهزة عالية الجودة يساعدان بالفعل في تعزيز نمو طريقة التبريد الجديدة، إلا أن الفهم الأعمق لتحسينات المواد أمر ضروري. استخدم فريق البحث مجموعة من أدوات تشتيت النيوترونات لفحص مادة يعتبرها العلماء على المستوى الذري المرشح الأمثل للاستخدام في تبريد الحالة الصلبة.
التأثير المغناطيسي
يمكن تشويه المادة التي اختارها العلماء، وهي عبارة عن سبيكة ذات ذاكرة مغناطيسية من النيكل والكوبالت والمنغنيز والإنديوم، ومن ثم إعادتها إلى شكلها الأصلي عن طريق دفعها خلال مرحلة انتقالية إما عن طريق زيادة درجة الحرارة أو عن طريق تطبيق مجال مغناطيسي عليها. عند تعرضها لمجال مغناطيسي، تمر هذه المادة بمرحلة انتقالية مغناطيسية وهيكلية، حيث تمتص وتطلق الحرارة، وهو سلوك يعرف باسم التأثير المغناطيسي الحراري. في تطبيقات التبريد في الحالة الصلبة، سوف يعمل الباحثون على تسخير هذا التأثير لتوفير التبريد. إن السمة الرئيسية التي تتميز بها هذه المادة هي قربها من الحالات المضطربة المعروفة باسم الحالات الزجاجية الحديدية، لأنها توفر طريقة لتعزيز قدرة المادة على تخزين الحرارة وإطلاقها.
تتزاوج المغنونات، والمعروفة أيضاً باسم موجات الدوران، والفونونات، أو الاهتزازات، في رقصة متزامنة في مناطق صغيرة موزعة عبر الترتيب غير المنتظم للذرات التي تشكل المادة. وجد الباحثون أن أنماط السلوك في هذه المناطق الصغيرة لها آثار مهمة على الخواص الحرارية للمادة، يشار إلى أنماط السلوك هذه باسم أنماط المغنون والفونون الهجين الموضعية في ورقة الفريق التي تشرح البحث بالتفصيل.
يوضح تشتت النيوترونات أن قدرة التبريد للسبائك ذات الشكل المغناطيسي تتضاعف ثلاث مرات بسبب الحرارة الموجودة داخل هذه الأنماط الهجينة من المغنون والفونون المحلية التي تتشكل بسبب الاضطراب في النظام. يكشف هذا الاكتشاف عن طريق لصنع مواد أفضل لتطبيقات التبريد في الحالة الصلبة لتلبية الاحتياجات المجتمعية.
مواد لتحسين التبريد
وكشف العلماء أن الأوضاع تتسبب في تغيير الفونونات أو إزاحتها بشكل كبير بسبب وجود مجال مغناطيسي. تقوم الأوضاع أيضاً بتعديل استقرار مرحلة المادة. يمكن أن تؤدي هذه التغييرات إلى تغييرات جوهرية في خصائص المادة وسلوكها والتي يمكن ضبطها وتخصيصها.
وقال مايكل مانلي من ORNL، قائد الدراسة: "يُظهر تشتت النيوترونات أن قدرة التبريد لسبائك ذاكرة الشكل المغناطيسي تتضاعف ثلاث مرات بسبب الحرارة الموجودة داخل هذه الأنماط الهجينة من الماغنون والفونون المحلية والتي تتشكل بسبب الاضطراب في النظام. يؤدي هذا الاكتشاف للوصول إلى طريقة لصنع مواد أفضل لتطبيقات التبريد في الحالة الصلبة لتلبية الاحتياجات المجتمعية".
المواد المضطربة
إن سبيكة ذاكرة الشكل المغناطيسية التي درسها الفريق، هي في مرحلة تشكل حالات مضطربة تقريباً تُعرف باسم الزجاج المغزلي والزجاج المجهد، وليس الزجاج المألوف المستخدم في النوافذ وأماكن أخرى، بل هي أطوار غير تقليدية للمادة تفتقر إلى النظام. إن العزوم المغناطيسية، أو المغناطيسات الصغيرة، المرتبطة بالذرات الموجودة في الطور الزجاجي المغزلي، تكون موجهة بشكل عشوائي بدلاً من التوجه إلى نفس الاتجاه. نسبياً، في مرحلة الزجاج الانفعالي، تتعرض شبكة الذرات لإجهاد على مقياس النانومتر بنمط فوضوي وغير منتظم. يُشار إلى الزجاج المغزلي والزجاج المجهد على أنهما ظروف محبطة في المادة لأنها تنشأ من تفاعلات أو قيود متنافسة تمنع المادة من تحقيق حالة مرتبة مستقرة.
تخزين الحرارة وتبريد الحالة الصلبة
يشرح مانلي قائلاً: "مع اقتراب المادة من هذه الحالة المحبطة، تزداد كمية الحرارة المخزنة. تظهر التفاعلات طويلة وقصيرة المدى على شكل اهتزازات موضعية وموجات دورانية، وهذا الأمر يعني أنها محاصرة في مناطق صغيرة. وهو أمر مهم للغاية لأن هذه الحالات الاهتزازية الموضعية الإضافية هي التي تخزن الحرارة. يؤدي تغيير المجال المغناطيسي إلى إطلاق مرحلة انتقالية أخرى يجري فيها إطلاق هذه الحرارة.
إن التحكم في وظائف سبيكة ذاكرة الشكل المغناطيسي بحيث يمكن استخدامها كإسفنجة حرارية، يمكن أن يكون إحدى الطرق للسماح بتبريد الحالة الصلبة بكفاءة دون الحاجة إلى المبردات التقليدية أو المكونات الميكانيكية، وهو أمر في غاية الأهمية في عصر البحث المستمر عن بدائل لمصادر الطاقة التقليدية.
----