Unique Hierarchical Rotational Dynamics Induces Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Cyanide-bridged Framework Materials

الحرارة مسافرة قلقة. في عالم المواد الصلبة، لا تتحرك الحرارة كأحد السوائل، بل كاضطراب فوضوي للذرات، اهتزاز يترقرق عبر البنية مثل موجة تمر عبر حشد. بالنسبة للمهندسين والعلماء، فإن التحكم في هذه الرحلة هو مسألة بقاء. ففي الأجهزة التي تحول الحرارة المهدرة إلى كهرباء، أو في الطلاءات الواقية لمحركات النفاثات، يكون الهدف غالباً هو إيقاف الحرارة في مسارها. كانت الطريقة المثلى للقيام بذلك تقليدياً هي بناء مواد ثقيلة ومعقدة، باستخدام ذرات كثيفة تعمل كعقبات أمام هذه الاهتزازات. لكن هذا النهج يصطدم بحائط مسدود عندما نحتاج إلى مواد خفيفة؛ فمكونات المركبات الفضائية أو الجلد الإلكتروني المرن لا يمكنها تحمل وزن الرصاص أو المعادن الثقيلة، بل يجب بناؤها من أخف العناصر المتاحة، مثل الكربون والنيتروجين والأكسجين. لقد كان التحدي يكمن في إيجاد طريقة لجعل هذه الهياكل الخفيفة بارعة في حجب الحرارة تماماً مثل نظيراتها الثقيلة، وهو إنجاز بدا مستحيلاً لأن الذرات الخفبة عادة ما تسمح للحرارة بالمرور عبرها بسرعة البرق.

لقد وجد فريق من الباحثين في جامعة شيان تان وجامعة هونان العادية في الصين الآن طريقة لكسر هذه القاعدة. فقد اكتشفوا أنه من خلال ترتيب الذرات الخفيفة في إطار عمل محدد للغاية ومرن، استطاعوا ابتكار مادة بارعة بشكل استثنائي في إيقاف الحرارة، رغم أنها مكونة من أخف المكونات. لقد ركزوا على عائلة من المواد تُعرف بالأطر المرتبطة بالسيانيد. تخيل بنية مبنية من عناقيد ذرية صغيرة متصلة بقضبان صلبة من الكربون والنيتروجين. في هذه المواد، لا تكون الروابط جامدة وغير قابلة للانثناء؛ بل هي مرنة بما يكفي للسماح للعناقيد بأكملها بالتذبذب والدوران. وجد الباحثون أن هذا النوع المحدد من الحركة، مقترناً ببنية داخلية فريدة، يخلق "عاصفة مثالية" من المقاومة للحرارة. والنتيجة هي مادة تنقل الحرارة بضعف شديد بحيث تضاهي أفضل المواد الثقيلة والمعقدة المعروفة علمياً، رغم أنها مصنوعة من عناصر تمثل جزءاً ضئيلاً من وزنها.

يكمن السر في كيفية حركة الذرات. في معظم المواد الصلبة، تنتقل الحرارة كأمواج صوتية، وتتحرك بسلاسة من ذرة إلى أخرى. ولإيقاف ذلك، تحتاج إلى تشتيت تلك الأمواج. وجد الباحثون أنه في أطر السيانيد هذه، لا تهتز الذرات في مكانها فحسب، بل تدور أيضاً. ولأن البنية مبنية من عناقيد "فائقة الذرات" — وهي مجموعات من الذرات تعمل كوحدات واحدة أكبر — فإن هذه العناقيد تتمتع بحرية إضافية للدوران والالتواء. وهذا الدوران ليس حركة بسيطة أو أحادية؛ بل يحدث في طبقات، حيث تتحرك أجزاء مختلفة من البنية بطرق معقدة وهرمية. وعندما تدور هذه العناقيد، فإنها تخلق بيئة فوضوية لأمواج الحرارة. فبدلاً من التدفق بسلاسة، تتعرض أمواج الحرارة باستمرار للاصطدام والالتواء والتشتت في كل اتجاه.

هذه الحركة الفوضوية فعالة للغاية لأنها تحفز ظاهرة تسمى "التمدد الحراري السلبي". في معظم المواد، عندما تسخن، تتمدد لأن الذرات تبتعد عن بعضها البعض. أما في أطر السيانيد هذه، فيحدث العكس: فمع ارتفاع درجة الحرارة، تتقلص المادة فعلياً. هذا السلوك المنافي للحدس هو علامة على أن الذرات تتحرك بطريقة غير عادية وغير خطية. لاحظ الباحثون أن دوران العناقيد الذرية يخلق نوعاً معيناً من عدم الاستقرار في بنية المادة. فبينما تدور العناقيد، فإنها تسحب البنية نحو الداخل بدلاً من دفعها نحو الخارج. هذه الحركة المكثفة وغير الخطية تجعل من الصعب للغاية على الحرارة إيجاد مسار واضح عبر المادة؛ فأمواج الحرارة محاصرة فعلياً في متاهة من الذرات الدوارة، غير قادرة على السفر لمسافة بعيدة قبل أن تتشتت عائدةً إلى الوراء.

لم يكتفِ الباحثون بمراقبة هذا السلوك فح، بل قاموا بقياسه بدقة عالية. فباستخدام عمليات محاكاة حاسوبية متقدمة نمذجة سلوك مليارات الذرات، حسبوا بدقة مقدار الحرارة التي يمكن لهذه المواد نقلها. لقد درسوا عدة مركبات محددة، بما في ذلك تلك المكونة من الكادميوم والصوديوم والليثيوم والفضة، وكلها مرتبطة بالكربون والنيتروجين. وكانت النتائج مذهلة؛ ففي درجة حرارة الغرفة، نقلت هذه المواد الحرارة بمعدلات تتراوح بين 0.35 و0.81 واط لكل متر لكل كلفن. ولوضع ذلك في المنظور، فإن هذا الرقم أقل بواحد إلى مرتبتين من المواد الخفيفة الأخرى ذات الأوزان المماثلة، وهو حتى أقل من العديد من المواد الثقيلة والمعقدة التي تمت دراستها لعقود. وبالنسبة لمادة مصنوعة من عناصر خفيفة كهذه، فإن هذا المستوى من المقاومة الحرارية يعد غير مسبوق.

إن ما يجعل هذا الاكتشاف قوياً بشكل خاص هو أنه يعمل من خلال مزيج من آليتين توجدان عادة في أنواع منفصلة من المواد. تأتي إحدى الآليتين من البنية الهرمية، حيث تخلق العناقيد الذرية الكبيرة مجموعة واسعة من ترددات الاهتزاز التي تحجب الحرارة. وتأتي الآلية الأخرى من الديناميكيات الدورانية، المشابهة لما يُرى في مواد "البيروفسكايت"، حيث يؤدي دوران الوحدات الذرية إلى مقاومة قوية. وجد الباحثون أنه في أطر السيانيد هذه، تعمل هاتان الآليتان معاً بطريقة تآزرية. إذ يخلق دوران العناقيد "فضاء طور" شاسع لتشتيت الحرارة، مما يعني وجود طرق لا حصر لها لتبديد طاقة الحرارة. ويؤدي هذا إلى وضع يصبح فيه تشتيت الحرارة مكثفاً لدرجة أنه يهيمن على سلوك المادة، محولاً إياها فعلياً إلى عازل حراري.

كما استكشف الفريق كيف يؤثر تغيير الذرات المحددة في الإطار على تدفق الحرارة. ووجدوا أنه مع انتقال الذرة المركزية من البورون إلى الإنديوم ضمن نفس العائلة الهيكلية، انخفض التوصيل الحراري بشكل أكبر. وكان ذلك بسبب أن تغيير العنصر المحدد جعل الروابط بين العناقيد أضعف وأكثر مرونة. وقد سمحت هذه المرونة المتزايدة للعناقيد بالدوران بسعة أكبر، مما خلق مزيداً من الفوضى لأمواج الحرارة. وكانت المادة الأكثر فعالية في دراستهم، وهي مركب يحتوي على الإنديوم، هي الأقل في التوصيل الحراري، مما يؤكد أن درجة المرونة الذرية مرتبطة مباشرة بمدى قدرة المادة على حجب الحرارة.

يتحدى هذا العمل الاعتقاد السائد منذ فترة طويلة بأنك بحاجة إلى ذرات ثقيلة ومعقدة لإيقاف الحرارة بفعالية. ومن خلال إظهار أن الهياكل الخفيفة والمرنة يمكنها تحقيق النتيجة نفسها من خلال التصميم الذكي، فتح الباحثون مساراً جديداً لعلوم المواد. لقد أثبتوا أن مفتاح إيقاف الحرارة لا يتعلق فقط بالوزن، بل بكيفية ترتيب الذرات وكيفية حركتها. إن القدرة على ابتكار مواد خفيفة وعازلة للحرارة في آن واحد يمكن أن تحدث ثورة في المجالات التي تعتمد على التحكم في درجة الحرارة، من هندسة الطيران إلى الإلكترونيات من الجيل التالي. توفر الدراسة مخططاً واضحاً لكيفية تصميم هذه المواد: ابنِ إطاراً يسمح بالدوران الهرمي واحتضن الفوضى الناتجة عن ذلك. وبذلك، فقد حولوا قيداً جوهرياً للمواد الخفيفة إلى ميزة جديدة وقوية.