Lattice Thermal Conductivity of Sun-Graphyne from Reverse Nonequilibrium Molecular Dynamics Simulations

تعد الحرارة مسافرة مستمرة، تتحرك عبر المواد التي تشكل عالمنا، من دفء يوم صيفي إلى تبريد شريحة كمبيوتر. في المقياس اليومي الواسع للأشياء، تكون هذه الحركة متوقعة وثابتة. ولكن عندما يقلص العلماء المواد إلى المستوى الذري، وينشئون صفائح بسمك بضعة ذرات فقط، تتغير القواعد. عند هذا المقياس الضئيل، لا تتدفق الحرارة مثل الماء في النهر؛ بل تسافر على شكل موجات من الاهتزاز، تحملها جسيمات تسمى "الفونونات". هذه الاهتزازات ترتد وتتشتت عن الحواف، وتتفاعل مع البنية الداخلية للمادة بطرق يمكن أن تسرع أو تبطئ تدفق الطاقة. إن فهم كيفية عمل ذلك أمر بالغ الأهمية لمستقبل التكنولوجيا. فبينما تصبح الأجهزة الإلكترونية أصغر وأقوى، يصبح التحكم في الحرارة تحديًا رئيسيًا؛ إذ يمكن للحرارة الزائدة أن تدمر الدائرة، بينما يمكن للقليل منها أن يمنع المولد الكهروحراري من العمل بكفاءة. يبحث العلماء باستمرار عن مواد جديدة يمكنها إما نقل الحرارة بعيدًا بسرعة أو حجبها تمامًا، اعتمادًا على الحاجة.

واحدة من أشهر المواد في هذا المجال هي الجرافين، وهي طبقة واحدة من ذرات الكربون المرتبة في نمط خلية نحل. وهي معروفة بكونها قوية للغاية وتوصل الحرارة بسرعة مذهلة. ومع ذلك، استكشف الباحثون عائلة كاملة من الهياكل الكربونية ذات الصلة التي تبدو مختلفة عن الجرافين. هذه المواد، المعروفة باسم "الجرافين" (graphynes)، تُبنى عن طريق إدراج روابط كربونية إضافية بين الذرات في خلية النحل. هذه الروابط تشبه جسورًا صغيرة مصنوعة من روابط ثلاثية، مما يغير طريقة اهتزاز المادة. ومن بين هذه الهياكل الجديدة، توجد مادة مقترحة حديثًا تسمى "8-16-4-graphyne"، والتي أعاد الباحثون في هذه الدراسة تسميتها بـ "Sun-graphyne" (جرافين الشمس) بسبب شكلها المميز. وبينما كان العلماء قد بحثوا بالفعل في كيفية سلوك هذه المادة ميكانيكيًا أو إلكترونيًا، لم يحدد أحد بعد مدى جودة توصيلها للحرارة. وهذه الفجوة في المعرفة هي ما سعى الفريق لسده، باستخدام محاكاة حاسوبية قوية لمراقبة كيفية انتقال الحرارة عبر هذا المشهد الذري الجديد.

ولاستقصاء الخصائص الحرارية لـ "Sun-graphyne"، لم يقم الباحثون ببناء عينة فيزيائية في المختبر. بدلاً من ذلك، أنشأوا نموذجًا افتراضيًا للمادة على جهاز كمبيوتر، مكونًا من صفيحة من ذرات الكربون المرتبة في النمط المحدد لـ "Sun-graphyne". ثم استخدموا طريقة تسمى "الديناميكا الجزيئية"، وهي في الأساس وسيلة لمحاكة حركة كل ذرة منفردة في النظام بمرور الوقت. وفي محاكاتهم، أنشأوا فرقًا في درجات الحرارة عبر الصفيحة، بجعل أحد الطرفين ساخنًا والآخر باردًا، وراقبوا كيف تدفقت الحرارة من الجانب الساخ𝑛 إلى الجانب البارد. ومن خلال قياس معدل هذا التدفق وتغير درجة الحرارة الناتج، تمكنوا من حساب الموصلية الحرارية للمادة. وقد اختبروا صفائح بأحجام مختلفة لمعرفة ما إذا كان طول المادة يغير كيفية انتقال الحرارة، وهي خطوة حاسمة لأن الحرارة تسلك سلوكًا مختلفًا في المساحات الصغيرة جدًا مقارنة بالمساحات الأكبر.

كشفت النتائج أن "Sun-graphyne" هو موصل للحرارة أضعف بكثير من ابن عمه الشهير، الجرافين. فبينما يسمح الجرافين للحرارة بالمرور عبره بسرعات خيالية، يقوم "Sun-graphyne" بإبطاء الحرارة بشكل كبير. وحسب الباحثون أن الموصلية الحرارية الجوهرية لـ "Sun-graphyne" تبلغ حوالي 24.6 واط لكل متر-كلفن. ولوضع هذا في المنظور، فإن هذه القيمة أقل بخمسين ضعفًا من قيمة الجرافين النقي. وأظهرت الدراسة أن هذا الانخفاض في الأداء ليس عيبًا، بل هو نتيجة مباشرة لبنية المادة الفريدة. فالروابط الكربونية الإضافية، المعروفة بالروابط الأسيتيلينية، تعمل كعوائق أمام الاهتزازات الحاملة للحرارة. وتتسبب هذه الروابط في تشتت الاهتزازات وفقدان الطاقة أثناء محاولتها التحرك عبر الصفيحة، مما يؤدي فعليًا إلى حبس الحرارة ومنعها من الانتقال بعيدًا.

وعندما تعمق الفريق في فيزياء ما كان يحدث، وجدوا أن الاهتزازات في "Sun-graphyne" تتحرك ببطء أكبر بكثير من تلك الموجودة في الجرافين. ففي الجرافين، تنتقل الاهتزازات بسرعات عالية، أما في "Sun-graphyne"، فإن متوسط سرعة هذه الاهتزازات ينخفض بشكل ملحوظ. ويحدث هذا لأن الترتيب المحدد للذرات في "Sun-graphyne" يخلق مسارًا أكثر تسطحًا للاهتزازات، مما يجعل من الصعب عليها اكتساب الزخم. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة أن الاهتزازات في "Sun-graphyne" تتفاعل مع بعضها البعض بطرق معقدة. فالمادة تمتلك أنواعًا مختلفة من الاهتزازات، بعضها يتحرك في مستوى الصفيحة والبعض الآخر يتحرك للأعلى وللأسفل. وتؤدي الروابط الأسيتيلينية إلى جعل هذه الأنواع المختلفة من الاهتزازات تختلط وتتصادم بشكل متكرر، مما يبطئ تدفق الحرارة بشكل أكبر. كما لاحظ الباحثون أن المادة تسلك سلوكًا مختلفًا اعتمادًا على حجمها؛ ففي الصفائح القصيرة جدًا، تنتقل الحرارة في خط مستقيم دون عوائق، ولكن مع زيادة طول الصفائح، تبدأ الحرارة في التشتت والانتشار، وهو تحول رسم الفريق معالمه بالتفصيل.

وتشير النتائج إلى أن "Sun-graphyne" ليس مرشحًا للتطبيقات التي تتطلب تبديدًا سريعًا للحرارة، مثل تبريد معالجات الكمبيوتر عالية الأداء. بدلاً من ذلك، فإن قدرته على مقاومة تدفق الحرارة تجعل منه مادة واعدة للتطبيقات التي تتطلب عزلًا حراريًا. فقد يمكن استخدامه في طلاءات الحواجز الحرارية للمحركات أو كطبقة عازلة في مواد البناء حيث يكون الحفاظ على الحرارة داخل أو خارج الشيء أمرًا ضروريًا. وتؤكد الدراسة أنه من خلال تعديل البنية الذرية للكربون، يمكن للعلماء ضبط كيفية تعامل المادة مع الحرارة، وتحويل موصل فائق إلى عازل حراري. يوفر هذا العمل صورة أوضح لكيفية سلوك عائلة "الجرافين" ويقدم أداة جديدة للمهندسين الذين يحتاجون إلى تصميم مواد ذات خصائص حرارية محددة. ومن خلال فهم كيفية تعطيل الروابط الأسيتيلينية لتدفق الحرارة بدقة، يمكن للباحثين الآن التنبؤ بشكل أفضل بأداء المواد الكربونية المماثلة، مما يمهد الطريق لتقنيات أكثر كفاءة وتخصصًا في المستقبل.