Ferroelectric nematic liquid crystals: temperature-tunable electrocaloric fluids with large strength at low fields

لطالما جاء تبريد عالمنا بثمن باهظ. فعلى مدى أكثر من قرن، اعتمدت الآلات التي تحافظ على نضارة طعامنا وراحة منازلنا على ضغط الغازات، وهي عملية تستهلك كميات هائلة من الكهرباء وتسرب مواد كيميائية ضارة بالغلاف الجوي. وبينما قضى المهندسون عقودًا في محاولة جعل هذه الأنظمة أكثر نظافة، إلا أن الطريقة الأساسية تظل كما هي، وفاتورة الطاقة تستمر في الارتفاع. ويبحث العلماء الآن عن مسار مختلف، مسار يستخدم الكهرباء ليس لتشغيل محرك، بل لتغيير درجة حرارة مادة بشكل مباشر. هذه الظاهرة، المعروفة باسم التأثير الكهروحراري (electrocaloric effect)، تعمل عن طريق تطبيق مجال كهربائي على مادة ما، مما يؤدي إلى إعادة ترتيب ذراتها الداخلية وإطلاق الحرارة أو امتصاصها. والهدف هو العثور على مادة يمكنها القيام بذلك بكفاءة، دون الحاجة إلى كميات هائلة من الطاقة أو آلات معقدة، ومن المثالي أن تكون مادة يمكن ضخها عبر نظام مثل السائل لنقل الحرارة بعيدًا.

لقد حدد فريق من الباحثين الآن عائلة جديدة من السوائل التي قد تكون المفتاح لهذه التكنولوجيا. هذه ليست كتلًا صلبة من السيراميك أو البلاستيك التي تُدرس عادةً لأغراض التبريد، بل هي بلورات سائلة تمتلك خاصية فريدة: وهي أنها "كهروحديدية" (ferroelectric). وبتعبير أبسط، تمتلك هذه السوائل جزيئات تصطف طبيعيًا في اتجاه محدد، مما يخلق نظامًا كهربائيًا داخليًا، تمامًا مثل مغناطيسات صغيرة تصطف في صف واحد. وعند تطبيق مجال كهربائي، تتحرك هذه الجزيئات، ويؤدي هذا التحرك إلى تسخين المادة أو تبريدها. وقد ركز الباحثون على نوع محدد من هذه السوائل، يسمى البلورات السائلة النيماتية الكهروحديدية (ferroelectric nematic liquid crystals)، واكتشفوا أنها تستجيب لإشارات كهربائية ضعيفة للغاية، أضعف بكما مما هو مطلوب للمواد الصلبة.

اختبر الفريق خليطين محددين من هذه السوائل، وفراها لهما شركة كيميائية، لمعرفة كيفية سلوكهما تحت تأثير مجال كهربائي. وقاما بقياس التغيرات في درجة الحرارة بطريقتين. أولاً، حسبوا التغير المتوقع من خلال مراقبة كيفية تغير الاصطفاف الكهربائي الداخلي للمادة مع تغير درجة الحرارة. أشارت هذه الطريقة غير المباشرة إلى أن تطبيق مجال قدره 0.1 فولت لكل ميكرومتر فقط يمكن أن يسبب قفزة في درجة الحرارة تقارب 0.4 درجة مئوية. وللتأكد من ذلك، أجروا قياسات مباشرة، بوضع مستشعر دقيق لدرجة الحرارة مباشرة داخل السائل بين قطبين كهربائيين. وعندما قاموا بتشغيل وإيقاف المجال الكهربائي، راقبوا ارتفاع وانخفاض درجة الحرارة في الوقت الفعلي. وأظهرت القياسات المباشرة تغيرًا في درجة الحرارة بنحو 0.2 درجة مئوية لمجال منخفض قدره 0.1 فولت لكل ميكرومتر. وبينما كان هذا الرقم المباشر أصغر من التنبؤ المحسوب، أوضح الباحثون أن الحرارة الإضافية من الحاوية والمستشعر نفسه قد حجبت التأثير الكامل، مما يعني أن القدرة الحقيقية للسائل هي على الأرجح أعلى من ذلك.

إن ما يجعل هذه النتائج مثيرة للاهتمام بشكل خاص هو قوة التأثير مقارنة بالطاقة المستخدمة. فقد وجد الباحثون أنه مقابل كل وحدة من المجال الكهربائي المطبق، كان التغير في درجة الحرارة أكبر بنسبة تصل إلى 100 بالمائة مما يظهر في المواد الصلبة الرائدة حاليًا. علاوة على ذلك، تعمل هذه السوائل بفعالية عبر نطاق واسع من درجات الحرارة. اختبر الفريق 129 خليطًا مختلفًا من هذه البلورات السائلة ووجدوا أنه يمكن هندستها للتحول بين حالتي النظام والاضطراب في أي مكان بين 0 درجة مئوية و100 درجة مئوية. وهذا يعني أنه يمكن بناء نظام تبريد مخصص للعمل في ثلاجة، أو سيارة، أو شريحة كمبيوتر، ببساطة عن طريق اختيار خليط السائل المناسب.

كما بحثت الدراسة في مدى كفاءة هذه العملية في دورة تبريد واقعية. ومن خلال نمذجة كيفية حركة هذه السوائل عبر نظام ما، حيث تمتص الحرارة عند نقطة باردة وتطلقها عند نقطة دافئة، توقع الباحثون مقياس أداء يُعرف باسم "معامل الأداء" (coefficient of performance). بالنسبة لفرق درجة حرارة يتراوح بين 5 إلى 10 درجات، يمكن للسائل أن يحقق قيمة تتراوح بين 21 و40. وهذا رقم تنافسي، يضاهي أفضل المواد الصلبة المتاحة حاليًا، ولكن مع الميزة الإضافية المتمثلة في أن السائل نفسه يمكن أن يعمل كمبرد. ولأن المادة سائل، يمكن ضخه عبر جهاز، مما يلغي الحاجة إلى سائل منفصل لنقل الحرارة ويسمح بتصاميم أكثر دمجًا وكفاءة.

وأكد الباحثون أن المجالات الكهربائية المطلوبة لتحفيز هذا التأثير منخفضة للغاية، وهي أقل بنحو مرتب من الدرجة (an order of magnitude) عما هو مطلوب للسيراميك الصلب. وهذا المتطلب المنخفض للجهد يعد فائدة عملية كبيرة، لأنه يعني أن الإلكترونيات اللازمة لتشغيل نظام التبريد هذا ستكون أبسط، وأرخص، وأقل عرضة للفشل. ورغم أن القياسات المباشرة كانت أقل قليلاً من التنبؤات النظرية بسبب الإعداد التجريبي، إلا أن الاتساق بين الطريقتين وسلوك أكثر من مائة خليط آخر يشير إلى أن هذه السوائل مرشح قوي لمستقبل التبريد. لا يدعي هذا العمل أنه قد حل مشكلة الاحتباس الحراري أو استهلاك الطاقة بين عشية وضحاها، ولكنه يقدم خطوة ملموسة وقابلة للقياس نحو طريقة أنظف وأكثر كفاءة لإدارة الحرارة، محولاً سائلًا بسيطًا إلى أداة قوية للجيل القادم من التبريد.