بورون أرسينيد يتفوق على الألماس في نقل الحرارة

فريق دولي من العلماء بقيادة مهندسي جامعة هيوستن أثبت مؤخرًا أن نظرية التوصيل الحراري القديمة غير صحيحة. دفع عملهم حدود علم المواد إلى أبعد من ذلك وقد يلهم عدة إنجازات مستقبلية في الأشهر القادمة. وبالتالي يُنظر إليه كإنجاز رئيسي في المجتمع العلمي. إليك ما تحتاج إلى معرفته.

لماذا يهم التوصيل الحراري في الإلكترونيات الحديثة

لفهم أهمية هذا الاختراق، من الضروري إدراك الدور الحاسم الذي تلعبه طبقات الحماية الحرارية في التكنولوجيا الحالية. تُطبق هذه الطبقات عادةً على المكونات المعدنية، وتساعد في تقليل تعرض المكونات الحيوية للحرارة.

الحاجز الحراري الذي تُنشئه يساعد على جعل المحركات اليوم أكثر متانة، وأجهزة الكمبيوتر أسرع، وهو جزء مهم في العديد من القطاعات الصناعية. وبالتالي، يجري بحث مستمر لتحسين هذه الأسطح. رغم وجود العديد من التطورات في المواد الاصطناعية، لم تستطع أي منها منافسة الطبيعة.

الألماس

لعدة عقود، كان يُنظر إلى الألماس على أنه أفضل مادة متساوية الاتجاهات لتوصيل الحرارة. المواد المتساوية الاتجاهات فريدة لأنها توفر توزيعًا موحدًا للحرارة عبر جميع الاتجاهات البلورية. بفضل ذلك، يتفوق الألماس في نقل الحرارة لأسباب رئيسية عدة، بما في ذلك الروابط الكربونية التساهمية القوية.

قيود الألماس كموصل حراري

تظهر بعض المشكلات عند استخدام طبقات الألماس الحرارية، مما يدفع الباحثين إلى مواصلة البحث عن مواد أخرى. أولاً، هو أكثر تكلفة من المواد المتساوية الاتجاهات الأخرى. كما أنه قد يكون صعبًا في التعامل معه.

على الرغم من هذه القيود، لا يزال يُستخدم الألماس عندما تكون تبديد الحرارة السريعة أمرًا حيويًا. ومع ذلك، يعتقد عدد متزايد من المهندسين الآن أنه من الممكن تجاوز أداء الألماس باستخدام مواد مُصنعة. أحد المواد التي حظيت باهتمام متزايد هو بورون أرسينيد.

بورون أرسينيد (BAs)

ظهر بورون أرسينيد (BAs) لأول مرة في عام 1959 بعد أن نجح العلماء في تركيب البورون والزرنيخ. ظل هذا التجريب مبكرًا غير مستغل لعدة عقود حتى أوائل الألفينات. حينها، مكنت التطورات في نمذجة الحاسوب وعلم المواد من رؤية كيف يمكن أن يكون BAs موصلًا حراريًا محتملًا.

لم يحدث ذلك إلا في عام 2013، عندما قدم ديفيد برويدو، فيزيائي من كلية بوسطن، توقعًا صارمًا وصف فيه سيناريو يتفوق فيه BAs على توصيل الحرارة للألماس. استخدم حسابات لإظهار أن المادة قادرة على تحقيق توصيل حراري يبلغ 2200 واط/م·ك عند درجة حرارة الغرفة باستخدام نهج تشتت ثلاثي الفونونات.

في عام 2015، أخذ أستاذ جامعة هيوستن زيفينغ رن المفهوم خطوةً أخرى عندما قام هو وفريقه بزراعة بلورات BAs في مختبرهم واختبارها. أجرى عدة تجارب حيث وصل إلى توصيل حراري للبلورة الواحدة يبلغ 1500 واط/م·ك عند درجة حرارة الغرفة.

وضع هذا التقييم BAs في المرتبة الثانية مباشرةً خلف الألماس من حيث التوصيل الحراري. كما ألهم ذلك مزيدًا من البحث في المادة وسبل تحقيق التوصيل الحراري المثالي البالغ 2200 واط/م·ك عند درجة حرارة الغرفة الذي توقعه برويدو قبل سنوات.

التحديات في تحقيق BAs عالي النقاء

تم إجراء أعمال على BAs كموصل حراري منذ ذلك الحين. ومع ذلك، أدت تغييرات استراتيجيات تشتت الفونونات وغيرها من المشكلات إلى انخفاض النتائج إلى حوالي 1300 واط/م·ك. لحسن الحظ، أظهرت دراسة حديثة ما سبب هذه القيود وكيفية تقليلها.

دراسة بورون أرسينيد

الدراسة Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature¹ المنشورة في مجلة Materials Today، تكشف عن كيفية تمكن المهندسين من الحصول على توصيل حراري غير مسبوق يبلغ 2100 واط/م·ك في بلورات بورون أرسينيد الواحدة عند درجة حرارة الغرفة.

ما المشكلة؟

كما لاحظ المهندسون، كانت الحسابات صحيحة، لكن التجارب لم تلبِ التوقعات. عندها قرروا إعادة تقييم المكونات الأساسية والاستراتيجية لمعرفة أين يمكن تحسين الأداء. أحد المجالات الرئيسية التي لاحظوا فيها فقدانًا في التوصيل هو الشوائب.

المصدر – Materials Today

من الجدير بالذكر أنه في المواد المتساوية الاتجاهات، تتبع قدرات نقل الحرارة مسارات بلورية للمادة. في إعداد مثالي، توفر هذه المسارات انتقالًا سلسًا. ومع ذلك، لاحظ المهندسون أن البلورات المستخدمة في التجارب السابقة كانت تحتوي على عدة عيوب تعيق الأداء. وبالتالي، شرعوا في زراعة أنقى BAs ممكن.

كيفية زراعة BAs دون شوائب

لتحقيق ذلك، بدأوا بإعادة تصور العملية من الصفر. بدأوا بالزرنيخ النقي للغاية. من هناك، خضعوا لعملية تركيب من أربع خطوات، مما قلل الشوائب أكثر.

الخطوة التالية كانت تنظيف أنبوب الكوارتز بالكامل. استخدم المهندسون عمليات تنظيف نصف موصلية قياسية تشمل عدة تنظيفات بالموجات فوق الصوتية باستخدام مواد متعددة، بما في ذلك الأسيتون، والإيثانول، والماء المقطر. ثم جُفف في فرن لإزالة أي رطوبة متبقية.

من هناك، استخدم المهندسون أضواء النقل للتحقق من التوصيل الحراري والشوائب. لاحظوا على الفور أن تركيز العيوب النقطية في البلورات الفردية كان أقل بشكل كبير مقارنةً بالمحاولات السابقة.

كيف قاس الباحثون توصيل الحرارة في BAs

اختبر العلماء توصيل الحرارة للبلورات باستخدام عدة طرق دقيقة للغاية. استخدم الفريق أولاً طريقة الانعكاس الحراري الزمني (TDTR) لتسجيل التوصيل الحراري. في هذا الاختبار، غطى المهندسون البلورات بطبقة محول ألمنيوم بسمك 100 نم باستخدام تبخير شعاع إلكتروني لضمان الدقة.

من هناك، استخدم الفريق مطيافية رامان لاكتشاف أي شوائب متبقية في البلورات. ثم دمجوا البيانات للحصول على نظرة شاملة دقيقة على قدرات المادة وعيوبها. ما وجدوه سيغير الديناميكيات الحرارية في المستقبل.

نتائج توصيل حراري قياسية

اسحب للتمرير →

أثبت اختبار الفريق أن BAs قادر على تحقيق توصيل حراري بمستوى الألماس. سجل العلماء تحديدًا 2100 واط/م·ك عند درجة حرارة الغرفة. لاحظت طيف رامان أن المهندسين تمكنوا من ملاحظة اعتماد T−1.8، مما يفتح الباب لمزيد من البحث وتحسين الأداء.

لاحظ المهندسون أن حسابًا نظريًا معدلًا سيمكنهم من ضبط العملية لاستخدام تشتت ثلاثي الفونونات للفونونات في نطاق 4–8 THz، بدلاً من تشتت رباعي الفونونات المستخدم عادةً اليوم. باستخدام هذا النهج، نجح الفريق في تسجيل اعتماد درجة الحرارة من 300 إلى 400 K.

فوائد بورون أرسينيد

يجلب هذا العمل العديد من الفوائد للسوق. أولًا، يفتح الباب أمام الأجهزة التقنية المتقدمة لتصبح أكثر إمكانية وتكلفة معقولة. الألماس مكلف ونادر، بينما يمكن إنتاج BAs حسب الطلب. بالإضافة إلى ذلك، هو أسهل في التصنيع والتكامل.

بورون أرسينيد كمادة شبه موصل

اكتشاف غير متوقع هو أن BAs يعمل كمادة شبه موصل متفوقة. أظهرت الاختبارات أن BAs الذي تم إنتاجه تفوق السيليكون في عدة فئات رئيسية. على وجه التحديد، يقدم توصيلًا أفضل، وحركة حاملة أعلى، وتوسع حراري أفضل، ويمكنه دعم فجوة طاقة أوسع.

إلهام عصر جديد في علم المواد الحرارية

يظهر هذا العمل لماذا يحتاج العلماء إلى دفع الحدود باستمرار لتحقيق نتائج متميزة. لعدة عقود، كان الألماس هو الملك غير المتنازع عليه للتوصيل الحراري. الآن، يجب على المجتمع العلمي بأكمله إعادة تقييم نظرياته، مما يفتح المجال لتقدمات جديدة كانت تُعتبر مستحيلة سابقًا.

تطبيقات بورون أرسينيد في العالم الحقيقي والجدول الزمني

هناك العديد من التطبيقات لهذا العمل. أولًا، سيغير الدراسة طريقة تفكير المصنعين في إدارة الحرارة. إذا كان بالإمكان تصنيع هذه المادة باستمرار بتكلفة أقل وتوافر أعلى من بدائل الألماس، فإن ذلك يفتح الباب أمام مواد وإلكترونيات إدارة حرارة الجيل التالي. إليك بعض التطبيقات المحتملة.

الإلكترونيات عالية القدرة

تخيل أن يكون حاسوبك المحمول على حجرك طوال اليوم دون أي تبديد للحرارة. يمكن أن يساعد دمج هذه الحواجز الحرارية ذات التوصيل العالي في دفع عصر جديد من الإلكترونيات المتنقلة والمتقدمة. قد تصبح الأجهزة أسرع وأكثر قوة دون الحاجة إلى أنظمة تبريد إضافية.

المركبات الكهربائية (EVs) والإلكترونيات القوية

قد يشهد سوق المركبات الكهربائية تحسينات كبيرة في الأداء بفضل دمج BAs كموصلات حرارية. قد تمكّن هذه المواد المصنعين من جعل مركباتهم أخف وزنًا وأكثر أمانًا. وبالتالي، قد يحصلون على مسافة أقصر لكل شحنة. بالإضافة إلى ذلك، قد يقلل هذا الاستراتيجية من تكاليف المركبات الكهربائية في المستقبل.

مراكز البيانات

ستكون مراكز البيانات من أوائل المستفيدين من هذه التقنية. هذه الأنظمة الضخمة تشهد طلبًا مرتفعًا بفضل توسع سوق الذكاء الاصطناعي إلى مستويات قياسية. وبالتالي، سيكون لهذه التقنية تأثير مباشر على قطاع الذكاء الاصطناعي من حيث القدرات، الأداء، والتكاليف التشغيلية في المستقبل.

الجدول الزمني لبورون أرسينيد

قد يرى المدنيون هذا النوع من الطلاء الحراري يُستخدم في أجهزتهم خلال السنوات 7–10 القادمة. ومع ذلك، قد تحصل التطبيقات العسكرية وغيرها من الاستخدامات التقنية المتخصصة على هذه المواد خلال 5 سنوات أو أقل. إن انخفاض تكلفة التصنيع وتوافره بشكل أكبر سيساعد على تقليل أوقات التكامل بشكل كبير.

باحثو بورون أرسينيد

الدراسة Thermal conductivity of boron arsenide above 2100 W per meter per Kelvin at room temperature كانت جهدًا تعاونيًا جمع أبحاثًا من عدة مؤسسات مرموقة، بما في ذلك جامعة كاليفورنيا، سانتا باربارا، كلية بوسطن، وجامعة هيوستن.

تحدد الورقة بالضبط الأستاذ زيفينغ رن، بولين لياو، أنج بنيس نييكزا، زيو شيانغ، فانغهاو تشانغ، فنغجياو بان، تشونهوا لي، ماثيو ديلمنت، ديفيد برويدو، وينغ بنغ كـ مساهمين في العمل.

اتجاهات البحث المستقبلية لمواد BAs

نظرًا للسنوات التي استغرقها تحقيق هذا الإنجاز الضخم، من المتوقع أن يواصل الفريق رحلته لتعزيز توصيل الحرارة في BAs. في المستقبل، سيبحثون أيضًا في استخدام مواد أخرى قد توفر نتائج مماثلة أو أفضل.

الاستثمار في تصنيع الجرافيت

هناك العديد من الشركات التي تنتج طلاءات موصلة للحرارة. تُعد هذه الشركات حيوية لقطاعات التكنولوجيا العالية، النقل، والصناعة اليوم. إليك شركة واحدة كانت محورية في السوق بفضل جهودها الرائدة ومنتجاتها.

Graphjet Technology

Graphjet Technology(GTI ) أُطلقت في عام 2019. هذه الشركة الماليزية لتصنيع الجرافيت توفر مادة الأنود وغيرها من المواد الحيوية لسوق المركبات الكهربائية اليوم، والإلكترونيات، وأنظمة الاتصالات.

لقد كانت الشركة رائدة في السوق لعدة أسباب وتملك شراكات استراتيجية مع MIT، جامعة مانشستر، والعديد من الجهات الأخرى التي تسعى لتوسيع نهجها المستدام الفريد.

تختلف Graphjet Technology عن منافسيها بطرق عديدة. أولًا، تركز الشركة بالكامل على الاستدامة. إنها أول شركة في العالم تنشئ عملية صناعية على نطاق صناعي تحول النفايات الزراعية على شكل قشور نواة النخيل المعاد تدويرها إلى جرافيت من درجة بطارية.

توفر منشأة الشركة في ماليزيا جرافيت صناعي عالي النقاء، جرافين أحادي الطبقة، وغيرها من المواد الأساسية. بشكل مثير، يمكن للمنشأة تحويل 9,000 طن متري من النفايات إلى 3,000 طن متري من الجرافيت سنويًا. بالإضافة إلى ذلك، تُطلق فقط 2.95 كغ من CO2 لكل كغ من الجرافيت، مما يجعلها أنظف بنسبة 83% مقارنةً بالبدائل.

كل هذه العوامل تستمر في جذب انتباه المستثمرين نحو Graphjet Technologies. أولئك الذين يبحثون عن سهم تصنيع مبتكر ومستدام يجب أن يجريوا مزيدًا من البحث حول أسهم Graphjet.