اختراق في التقنية الحرارية الكهربائية يحول الحرارة إلى طاقة للأجهزة الذكية

دراسة حديثة¹ أجراها الدكتور فابيان جارمودي وفريق من الباحثين الدوليين تفتح الباب لأحد أهم التقدمات في تقنية المواد الحرارية الكهربائية خلال عقود. تتعمق الورقة في دراسة الفريق لمواد مختلفة وكيف أدت إلى تحسين الفصل الحراري والكهربائي بنجاح. إليكم ما تحتاجون إلى معرفته.

كيف تنقل المواد الحرارية الكهربائية الحرارة

المواد الحرارية الكهربائية فريدة مقارنة بأشكال المادة الأخرى. في المفهوم التقليدي، يتم نقل طاقة الحرارة عبر حاملات الشحنة المتنقلة ومن خلال اهتزازات الذرات في شبكة البلورة. يمثل الأخير عندما تهتز الذرات ضد بعضها البعض باستخدام علاقة الطور نفسها.

من الجدير بالذكر أن المواد التي يمكنها نقل الحرارة بسرعة تُسمى موصلات. المعدن مثال ممتاز على موصل الحرارة. إذا سخنت قضيبًا معدنيًا وضعته بجانب قطعة معدنية أخرى، فإن الذرات المشحونة واهتزازات الشبكة ستنقل جزءًا من الطاقة بسرعة إلى القطعة الأخرى. ومن الجدير بالذكر أن الماس النقي هو المادة التي تُعرف بأعلى توصيل حراري.

ما هي المواد الحرارية الكهربائية وكيف تعمل؟

تختلف المواد الحرارية الكهربائية عن المواد التقليدية في أنها جيدة في توصيل الكهرباء ولكن ليست جيدة في توصيل الحرارة. وبما أن هذه المواد ضعيفة في نقل طاقة الحرارة، فإنها تشكل عازلًا حراريًا مثاليًا.

الطريقة الرئيسية التي تحقق بها المادة الحرارية الكهربائية هذه المهمة هي محاولة فصل نقل الشحنة عن نقل الحرارة. اليوم، تلعب هذه المواد دورًا حيويًا في الإلكترونيات المتقدمة، والتبريد، والتطبيقات الصناعية.

تاريخ تقنية المواد الحرارية الكهربائية: من سيبيك إلى اليوم

رحلة التبريد الفائق السرعة، والتجميد، والإلكترونيات المتقدمة لها العديد من البدايات. في عام 1821، قام توماس يوهان سيبيك باكتشاف مذهل. لاحظ أن بعض المعادن تولد تيارًا كهربائيًا عندما تكون لديها فروق حرارة وتُقرب من بعضها البعض.

أدى هذا الاكتشاف إلى أن جان شارل أتاناس بيلتييه أظهر أن هذا التأثير يمكن أن ينتج عنه تسخين أو تبريد اعتمادًا على الإعداد. فتح هذا الاكتشاف الباب أمام المواد الحرارية الكهربائية المتقدمة اليوم وعمليات التصنيع الحديثة.

المواد الحرارية الكهربائية الحديثة: المعيار الصناعي الحالي

المادة الحرارية الكهربائية الأكثر استخدامًا اليوم هي مسحوق رمادي يُدعى بزمث التيلوريد، Bi2Te3. تم إنشاء هذا المركب في الخمسينات وظل المعيار الصناعي طوال أكثر من 70 عامًا. اليوم، الأنظمة القائمة على Bi2Te3 هي الخيار التجاري الوحيد المتاح.

التحديات التي تواجه المواد الحرارية الكهربائية اليوم

هذا الوضع أدى إلى بعض التباطؤ في الابتكارات. أولاً، التيلوريوم معدن نادر يصعب الحصول عليه ويكلف كثيرًا. بالإضافة إلى ذلك، هذه المواد هشة. طبيعتها الهشة يمكن أن تؤدي إلى تلف المكونات بسهولة.

كيف تُصنع المواد الحرارية الكهربائية: تحديات التصنيع

عيب رئيسي آخر في هذا النهج هو كلفته العالية. الأساليب المتطورة المطلوبة لتصميم وتصنيع مواد حرارية كهربائية ذات توصيل حراري منخفض للغاية لا تزال عائقًا أمام تبنيها على نطاق أوسع.

حل مشكلة نقل الكهرباء في المواد الحرارية الكهربائية

إحدى المشكلات الرئيسية كانت أن جميع الجهود السابقة التي ركزت على إعاقة نقل الحرارة عبر الشبكة البلورية قللت من حركة الحاملات. وبالتالي، كانت الجهود غير مجدية حتى وقت قريب. الآن، يعتقد فريق من الباحثين المبدعين أنهم اكتشفوا المفتاح لقمع اهتزازات الشبكة دون تقليل نقل الكهرباء.

دراسة اختراقية في المواد الحرارية الكهربائية: فصل الحرارة والشحنة

دراسة “نقل الشحنة والحرارة بشكل منفصل في مواد Fe2VAl المركبة مع شبكات حدود الحبوب العازلة طوبولوجيًا” التي نُشرت في مجلة Nature Communications، تقدم موادًا هجينة، عملية تصنيع جديدة، وتصميمًا ثوريًا لتحقيق الفصل الحراري والكهربائي.

اتخذ الفريق نهجًا مختلفًا عن سابقيهم حيث سعى إلى دمج Bi1−xSbx كطور ثانوي كيميائيًا وبنيويًا بين حبيبات Heusler. تستخدم العملية ما يُسمى الانصهار السائل لتكامل العازل الطوبولوجي النموذجي Bi1−xSbx بين حبيبات Fe2V0.95Ta0.1Al0.95.

المصدر – Nature Communications

هذا النهج يتجنب المقايضة التقليدية حيث أن محاولات تقليل نقل الحرارة تضر أيضًا بحركة الكهرباء.

مواد حرارية كهربائية هجينة باستخدام مركبات متعددة الطور

في صميم الدراسة تكمن إنشاء مواد هجينة. هذه المركبات متعددة الطور مثالية للمهمة لأنها توفر خصائص ميكانيكية مختلفة ولكنها تعمل بشكل مشابه عندما نتحدث عن الخصائص الإلكترونية. المادة الأولى (Fe2V0.95Ta0.1Al0.95) تجمع مسحوق سبيكة من الحديد، الفاناديوم، التنتالوم، والألمنيوم.

المادة الثانية (Bi0.9Sb0.1) في الخليط تتكون من مسحوق البزمث والنتريد. هذه البنية تخلق طورًا عازلًا طوبولوجيًا. طور العازل الطوبولوجي هو فئة فريدة من المواد الكمومية. لديها القدرة على العزل داخليًا مع توفير شحنة خالية من الفقد على سطحها.

كيف تؤثر درجة الحرارة على أداء المركب الحراري الكهربائي

بدأت عملية التحضير بتسخين المواد في فرن صهر حثي. سمح ذلك بتصنيع المواد وطحنها إلى مسحوق. قام العلماء بطحن المسحوق ثم خلط المادتين مرة أخرى أثناء الانصهار عند 1373 K. أدت هذه الخطوة إلى ذوبان Bi0.9Sb0.1 وتغليف الحبيبات.

هذا السيناريو يخلق طورًا على حدود الحبوب، وهو مثالي لاكتشافات الباحثين. من الجدير بالذكر أن المواد لا تختلط على المستوى الذري. بل يتم ترسيب مادة BiSb عند الواجهات ذات الحجم الميكرومتري بين بلورات سبيكة FeVTaAl، مما ينتج مادة حرارية كهربائية صلبة ذات قدرات مثيرة للإعجاب.

تعطيل اهتزازات الشبكة لتقليل نقل الحرارة

أحد أهم ما لاحظه الباحثون هو أن المادة الجديدة تمتلك هياكل شبكية مختلفة تمامًا عن المواد الأخرى. كانت الفروقات في هذه الطبقات واضحة لدرجة أن الاهتزازات الحرارية لم تستطع الانتقال عبر شبكة البلورة بفعالية. هذا التصميم يقلل فعليًا من الاهتزازات الحرارية عبر السطح بأكمله.

زيادة حركة الكهرباء في المواد الحرارية الكهربائية

لاحظ الفريق أيضًا زيادة في عدد حاملات الشحنة. بما أن كلا المادتين تتمتعان بخصائص حامل شحنة مشابهة، لم يُلاحظ أي فقدان. ومن المثير للاهتمام، تم تسجيل تحسين غير متوقع في الأداء، مما يشير إلى أن المادة تمتلك خصائص حرارية كهربائية ممتازة.

اختبار أداء المواد الحرارية الكهربائية الجديدة

تم إجراء مرحلة التصميم في الدراسة في المعهد الوطني للعلوم المواد في اليابان. أجرى الفريق عدة اختبارات متعمقة، بما في ذلك التحقيقات الهيكلية، لتحديد مدى تحمل التصميم الجديد في سيناريوهات مختلفة.

كما سجّل الفريق قياسات حرارية كهربائية ومغناطيسية شاملة كجزء من البحث. وتوصلوا إلى أن التعديلات في البنية الدقيقة أثرت على تأثير هول عبر نطاق واسع من درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية.

النتائج: تحسين كفاءة وثبات المواد الحرارية الكهربائية

أثبت الاختبار أن المادة تمتلك خصائص حرارية كهربائية استثنائية. نجحت في تقليل توصيل الحرارة الشبكي عبر جميع الاختبارات. كما عززت من حركة الحاملات. جاءت هذه الإنجازات بفضل التصميم الذي دمج نقل الشحنة المحمي طوبولوجيًا على حدود الحبوب.

كما سجّل المهندسون زيادة في الأداء وكفاءة أعلى بفضل التصميم الجديد. أثبت أن بعض المواد تمكن المهندسين من استهداف نقل الحرارة دون إضعاف نقل الشحنة. ومن الجدير بالذكر أن أداء الجهاز فاق المحاولات السابقة بنسبة 100٪.

الفوائد الرئيسية للتقنية الحرارية الكهربائية الجديدة

هناك العديد من الفوائد التي تجلبها هذه الدراسة إلى السوق. أولاً، تستخدم مواد وفيرة على الأرض ومتاحة بسهولة. يفتح هذا النهج الباب أمام المزيد من الأبحاث والدراسات.

كما يساعد في الحفاظ على التكاليف ضمن الحدود مع إظهار كيف يمكن توسيع نطاق المادة لتلبية الاحتياجات المستقبلية. كانت المواد الحرارية الكهربائية صعبة التصنيع وهشة. هذا الخيار الجديد أكثر صلابة ويقدم تكاليف دخول أقل مقارنة بالمعايير الصناعية.

استقرار المادة وإعادة تدوير المواد الحرارية الكهربائية

فائدة رئيسية أخرى لهذه الدراسة هي أنها تقدم طريقة لتحقيق المواد الحرارية الكهربائية دون ترك نفايات دائمة. يتمتع هذا النهج بإمكانية إعادة تدوير عالية، حيث أن جميع المواد وفيرة على الأرض وتم تجميعها بطريقة لا تخلق كميات كبيرة من التلوث البيئي.

التطبيقات العملية للمواد الحرارية الكهربائية والجدول الزمني التجاري

هناك تطبيقات لا حصر لها لهذه التقنية. تُعتبر المواد الحرارية الكهربائية من قبل الكثيرين أحد أفضل السبل لتحقيق أهداف صافي الصفر الكربوني للعالم وخلق وجود أكثر استدامة. بذكاء، يفتح هذا الاكتشاف الباب أمام إنشاء إمدادات طاقة مستقلة. إليكم بعض التطبيقات الحيوية الأخرى لهذه التقنية.

المواد الحرارية الكهربائية وإنترنت الأشياء (IoT)

إنترنت الأشياء يضم مليارات الأجهزة الذكية عالميًا. يمكن لهذه الشبكة الضخمة من المستشعرات الاستفادة من هذه الدراسة لإنشاء مصادر طاقة ذاتية الاستدامة. ستمكن هذه القدرة إنترنت الأشياء من اتخاذ خطوة إلى الأمام من حيث الاعتماد وسهولة الاستخدام.

المواد الحرارية الكهربائية في استكشاف الفضاء والأقمار الصناعية

تُعد المواد الحرارية الكهربائية طريقة أساسية سيعتمد عليها المستكشفون المستقبليون في الفضاء للحفاظ على إضاءة معداتهم. ستتمكن هذه الأنظمة من تحويل الحرارة أو البرودة القصوى الموجودة في الفضاء إلى طاقة يمكن استخدامها للسفر، والحماية، وتعزيز حياة المستكشفين المستقبليين.

استخدام المواد الحرارية الكهربائية في المنازل الذكية المستدامة

يمكن للمواد الحرارية الكهربائية أن تساعد في تزويد منزلك بالطاقة في المستقبل. تخيل أن منزلك يبقى باردًا عندما ترتفع درجات الحرارة خارجًا دون الحاجة لتشغيل مكيفات الهواء أو المراوح. يواصل البناؤون رؤية هذه المواد كطريقة لإنشاء منازل أكثر استدامة تتطلب طاقة أقل بكثير للتشغيل.

متى ستصبح المواد الحرارية الكهربائية شائعة؟

قد يستغرق الأمر أكثر من 5 سنوات قبل أن تصل هذه التقنية إلى السوق. العلم موجود، لكن حجم الصناعة الضخم والحاجة لاستكشاف خيارات أكثر قد يعني أن هذه التقنية لا تزال تحتاج إلى سنوات من البحث قبل أن يشعر المهندسون بأنها محسنة إلى الحد الذي يجعلها تجاريًا قابلة للتطبيق.

باحثو المواد الحرارية الكهربائية

مكن فريق دولي من الباحثين بقيادة فابيان جارمودي الدراسة في مجال المواد الحرارية الكهربائية. دعمت الدراسة مجموعة متنوعة من المؤسسات التعليمية المرموقة، بما في ذلك مختبر لوس ألاموس الوطني (الولايات المتحدة). بالإضافة إلى ذلك، طور الفريق المواد الهجينة الجديدة في المعهد الوطني للعلوم المواد في اليابان. تم الحصول على الدعم المالي للمشروع من جائزة Lions أيضًا.

مستقبل تقنية المواد الحرارية الكهربائية

مستقبل المواد الحرارية الكهربائية مشرق. يرغب الفريق وراء هذه الدراسة الآن في التركيز على تطوير مادة حرارية كهربائية يمكنها المنافسة مع المركبات التجارية القائمة على بزمث التيلوريد. وأشاروا إلى أنهم ينوون البحث عن عوازل طوبولوجية أخرى مثل Bi2Se3.

الاستثمار في قطاع الإلكترونيات الحرارية

تتنافس العديد من الشركات في قطاع المواد الحرارية الكهربائية للهيمنة. يستمر هذا السوق في رؤية طلب متزايد مع زيادة قوة الحوسبة واحتياجات السفر. وضعت هذه الشركات جهدًا كبيرًا في استكشاف المواد الحرارية الكهربائية وخيارات الطاقة الخضراء الأخرى. إليكم شركة واحدة في موقع مثالي للاستفادة من أحدث دراسة في المواد الحرارية الكهربائية.

TTM Technologies Inc. 

TTM Technologies Inc. (TTMI ) دخلت السوق في عام 1998. تأسست على يد كينت ألدر وأُطلقت أصلاً في واشنطن. في عام 1999، بدأت الشركة في الاستحواذ على المنافسين. أدى الاستحواذ على Pacific Circuits, Inc. إلى نقل عمليات الشركة إلى كاليفورنيا.

اليوم، تُعد TTM Tech شركة رائدة في تصنيع لوحات الدوائر المطبوعة. ومن الجدير بالذكر أنها الأكبر في أمريكا الشمالية والمورد الرئيسي للوحات للجيش الأمريكي. لديها حاليًا أكثر من 16,400 موظف وقد شهدت زيادة ملحوظة في حجم العمل خلال العام الماضي.

من المثير للاهتمام أن سهم TTMI يحظى بدعم قوي من بعض أكبر شركات الاستثمار في العالم. على سبيل المثال، تمتلك BlackRock (BLK ) حوالي 17٪ من أسهم الشركة، أي ما يعادل 18,299,780 سهمًا. هذه العوامل، إلى جانب تاريخ الشركة في الابتكار، تجعل TTMI سهمًا قويًا للمراقبة.

آخر الأخبار عن TTM Technologies

المواد الحرارية الكهربائية: التقنية الباردة التالية في تحويل الطاقة

حركة المواد الحرارية الكهربائية في كامل نشاطها، وهذا التطور الأخير من المؤكد أنه سيلهم مزيدًا من الابتكار. هذه المواد الفريدة أساسية لتوسيع قدرة الإنسان وفهمه. وبالتالي، ستستمر في لعب دور حيوي في التقنيات المستقبلية التي تتطلب تخفيف الحرارة.

تعرف على مشاريع طاقة أخرى رائعة الآن.

الدراسات المشار إليها:

^{1. Garmroudi, F., Serhiienko, I., Parzer, M., Ghosh, S., Ziolkowski, P., Oppitz, G., Nguyen, H. D., Bourgès, C., Hattori, Y., Riss, A., Steyrer, S., Rogl, G., Rogl, P., Schafler, E., Kawamoto, N., Müller, E., Bauer, E., de Boor, J., & Mori, T. (2025). نقل الشحنة والحرارة بشكل منفصل في مواد Fe₂VAl المركبة مع شبكات حدود الحبوب العازلة طوبولوجيًا. Nature Communications, 16(2976). https://doi.org/10.1038/s41467-025-57250-6}