Elastocaloric Effect in Graphene Kirigami

تخيل عالماً يمكنك فيه تبريد هاتف ذكي أو تدفئة مستشعر طبي ببساطة عن طريق شد أو إرخاء مادة ما، دون وجود أجزاء متحركة، أو مبردات، أو ضواغط تعمل بالكهرباء. هذا هو الوعد الذي يقدمه "التأثير المرن الحراري" (elastocaloric effect)، وهي ظاهرة تتغير فيها درجة حرارة مواد معينة عند تعرضها لتشوه ميكانيكي. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن مواد يمكنها القيام بذلك بكفاءة، آملين في استبدال أنظمة التبريد الضخمة والمستهلكة للطاقة الموجودة في منازلنا وإلكترونياتنا بشيء صلب وصامت. وبينما يمكن لبعض المعادن والسبائك القيام بذلك، إلا أنها غالباً ما تتطلب قوة هائلة أو تعاني من الإجهاد الميكانيكي. مؤخراً، وجه الباحثون اهتمامهم إلى النطاق النانوي، مستكشفين كيف يمكن للمواد الأكثر رقة في الوجود أن تتصرف عند تعرضها لنفس قوى الشد هذه. وفي قلب هذه الآفاق الجديدة يبرز "الجرافين"، وهو طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في نمط سداسي يشبه قرص العسل، والمعروف بكونه قوياً ومرناً للغاية. ومع ذلك، فإن من الصعب شد ورقة مسطحة من الجرافين دون كسرها. ولحل هذه المشكلة، طور العلماء تقنية تسمى "كيريغامي" (kirigami)، مستوحاة من فن قص الورق الياباني القديم. فمن خلال قطع أنماط معقدة في المادة، يخلقون هيكلاً يمكنه التمدد والتقلص مثل الزنبرك، مما يتغلب على الصلابة الطبيعية لورقة الكربون.

في دراسة حديثة، سعى الباحثون لمعرفة ما يحدث عندما يطبقون مفهوم الكيريغامي هذا على طبقة واحدة من الجرافين على المستوى الذري. أرادوا معرفة ما إذا كان هذا الهيكل فائق الرقة، والمقطوع والمطوي، يمكنه توليد تغيرات كبيرة في درجة الحرارة عند شده وإطلاقه، وما إذا كان بإمكانه القيام بذلك بكفاءة كافية لتكون مفيدة لأجهزة التبريد أو التدفئة المستقبلية. ولإيجاد الإجابة، لم يقم الفريق ببناء جهاز فيزيائي في مختبر، بل قاموا ببناء نموذج حاسوبي مفصل لورقة جرافين تم قطعها بنمط محدد ومتكرر من الشقوق والجسور. احتوى هذا النموذج على أكثر من اثني عشر ألف ذرة كربون، وخضع لدورة ديناميكية حرارية افتراضية. قام الباحثون بمحاكاة عملية شد المادة، ثم تثبيتها، ثم تركها، والسماح لها بتبادل الحرارة مع محيطها، محاكيين بذلك الطريقة التي يعمل بها المبرد أو المضخة الحرارية. وقد أجروا هذه المحاكاة عشر مرات بظروف بدائية مختلفة قليلاً لضمان اتساق نتائجهم وموثوقيتها.

كشفت النتائج عن اختلاف مذهل بين سلوك هذه المادة على المستوى الذري والنسخ الأكبر (الماكروسكوبية) من الكيريغامي التي تمت دراستها سابقاً. ففي هياكل الكيريغامي الأكبر والأكثر سمكاً، يؤدي شد المادة إلى خلق مزيج معقد من التسخين والتبريد في أماكن مختلفة في آن واحد؛ ويحدث هذا لأن المادة تنحني، مما يتسبب في تمدد الحواف الخارجية للانحناء بينما تنضغط الحواف الداخلية، مما يؤدي إلى تسخين وتبريد متزامنين. ومع ذلك، وجد الباحثون أن هذا السلوك المعقد لا يحدث في نموذج الجرافين المكون من ذرة واحدة. نظرًا لأن المادة رقيقة جداً، فلا يمكنها الانحناء بطريقة تخلق تلك الإجهادات المتعارضة؛ وبدلاً من ذلك، يستجيب الهيكل بأكي في طريقة أكثر تجانساً. فعندما تم شد الجرافين الافتراضي، تباعدت روابط الكربون ببساطة، مما أدى إلى تسخين الورقة بأكملها. وعند إطلاقها، استرخت الروابط، فبردت الورقة. لم تكن هناك مناطق ساخنة وباردة متضاربة؛ فقد كان تغير درجة الحرارة متسقاً عبر المادة بأكملها.

كان حجم هذا التغير في درجة الحرارة كبيراً بشكل مفاجئ بالنسبة لهيكل صغير كهذا. فخلال مرحلة الشد، ارتفعت درجة حرارة ورقة الجرافين بنحو 9.32 كلفن، وعند إطلاق التوتر، انخفضت درجة حرارتها بنحو 3.50 كلفن. ولوضع ذلك في السياق، فإن هذه التغيرات أكبر بنحو ثلاثة وعشرين ضعفاً من تغيرات درجات الحرارة الملحوظة في مواد الكيريغامي الماكروسكوبية المدروسة سابقاً، والتي تتغير عادةً بنحو 0.4 كلفن فقط. وهذا يشير إلى أن التصميم على المستوى الذري أكثر فعالية بكثير في تحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية من نظائره الأكبر حجماً. كما حسب الباحثون مدى كفاءة هذه العملية، وهو مقياس يُعرف باسم "معامل الأداء" (coefficient of performance). ووجدوا أن الكيريغامي المصنوع من الجرافين يمكن أن يعمل كمصدر للحرارة الصلبة بكفاءة تبلغ حوالي 1.57، أو كمبرد بكفاءة تبلغ حوالي 0.62. وبينما تعد هذه الأرقام أقل مما يوجد في بعض السبائك المعدنية أو أنابيب الكربون النانوية، إلا أن هيكل الجرافين يوفر ميزة فريدة: يمكنه تحمل قوة شد تصل إلى 30 بالمائة دون أن ينكسر، وهو مستوى من المرونة لا تستطيع العديد من المواد الأخرى مضاهاته.

تخلص الدراسة إلى أنه على الرغم من أن هذه المادة ذات الطبقة الواحدة من الذرات لا تظهر أنماط درجات الحرارة المعقدة متعددة المناطق التي تُرى في هياكل الكيريغامي الأكثر سمكاً، إلا أنها تعوض ذلك باستجابة حرارية أقوى وأكثر تجانساً. إن الآلية بسيطة: فشد روابط الكربون يولد الحرارة، واسترخاؤها يزيلها. هذا التبسيط، جنباً إلى جنب مع قدرة المادة على التمدد بشكل كبير دون تصدع، يشير إلى مسار واعد لتطوير أنواع جديدة من أنظمة الإدارة الحرارية. وتشير النتائج إلى أنه من خلال التلاعب بهندسة الجرافين في النطاق النانوي، من الممكن إنشاء أجهزة صلبة قادرة على نقل الحرارة بكفاءة، مما قد يؤدي إلى جيل جديد من تقنيات التبريد والتدفئة للإلكترونيات المرنة في المستقبل.