Phonon-Localization-Driven Decoupling of Dual-Channel Transport for Record-Low Intrinsic Lattice Thermal Conductivity

تنتقل الحرارة عبر المواد الصلبة بطريقتين متميزتين، وهو ازدواج أثار حيرة العلماء لفترة طويلة في محاولتهم لابتكار أكثر العوازل الحرارية فعالية في العالم. في المواد التي لا توصل الكهرباء، تنتقل الحرارة بشكل أساسي من خلال اهتزازات الذرات التي تشكل البنية البلورية. لعقود من الزمن، اعتقد الباحثون أنه لصد هذه الحرارة، كان عليهم تشتيت هذه الاهتزازات قدر الإمكان، تماماً مثل وضع عقبات في طريق عداء. ومع ذلك، كشفت الفهم الأعمق للفيزياء عن واقع أكثر تعقيداً: فهذه الاهتزازات الذرية تسلك سلوك الجسيمات الصغيرة التي ترتد عبر شبكة بلورية، وتتصرف أيضاً كأمواج يمكنها النفاذ عبر الحواجز. وقد تمثل التحدي في أن الاستراتيجيات المستخدمة لإيقاف الحركة الشبيهة بالجسيمات غالباً ما تساعد دون قصد الحركة الشبيهة بالموجات، مما يخلق حداً أساسياً لمدى برودة المادة التي يمكن الوصول إليها. وقد أبقى هذا التنافس أفضل العوازل بعيدة عن حدها الأدنى النظري، مما ترك فجوة بين ما هو ممكن وما تم تحقيقه بالفعل.

لقد وجد فريق من الباحثين الآن طريقة لكسر هذا الجمود من خلال تصميم مادة توقف كلا نوعي حركة الحرارة في وقت واحد. فمن خلال التركيز على عائلة محددة من البلورات التي تشكل سلاسل طويلة وملتوية، اكتشفوا أن الذرات في هذه الهياكل تصبح محصورة بشدة لدرجة أن اهتزازاتها تتجمد في مكانها تقرياً. هذه الظاهرة، المعروفة باسم "تموضع الفونون" (phonon localization)، تخلق حالة تكون فيها الاهتزازات بطيئة جداً لدرجة أنها لا تستطيع التحرك كجسيمات، ولا يمكنها النفاذ كموجات. والنتيجة هي مادة ذات قدرة قياسية على حجب الحرارة، مما يقدم مخططاً جديداً لهندسة العوازل الحرارية المثالية.

ركز الباحثون دراستهم على مجموعة من المركبات المكونة من الإنديوم أو الغاليوم أو الألمنيوم ممتزجة مع السيلينيوم واليود. تشكل هذه المواد بنية فريدة: أنابيب أحادية الأبعاد طويلة مكونة من ذرات تلتف في شكل حلزوني، تشبه الدرج اللولبي. هذه الأنابيب متراصة بجانب بعضها البعض، لكن القوى التي تربطها ببعضها البعض ضعيفة للغاية، مثل التجاذب اللطيف بين ورقتين من الورق، بينما الروابط داخل الأنابيب قوية. هذا الترتيب الهيكلي، جنباً إلى جنب مع وجود ذرات ثقيلة، يخلق "عاصفة مثالية" لحبس الحرارة؛ فالذرات الثقيلة تتحرك ببطء، والارتباطات الضعيفة بين الأنابيب تمنع الاهتزازات من الانتشار بسهولة من سلسلة إلى أخرى.

عندما قام الفريق بمحاكاة سلوك هذه البلورات، وجدوا أن الاهتزازات داخل المادة أصبحت موضعية للغاية. فبدلاً من الانتقال بحرية عبر البلورة، كانت الاهتزازات عالقة في مناطق صغيرة، غير قادرة على اكتساب زخم. وكان لهذا الحصر تأثير مزدوج؛ أولاً، أوقف التدفق الشبيه بالجسيمات للحرارة لأن الاهتزازات ببساطة لم تكن قادرة على التحرك بسرعة كافية لنقل الطاقة. ثانياً، وبشكل أكثر مفاجأة، أوقف أيضاً النفاذ الشبيه بالموجات. فعادةً، عندما تزدحم الاهتزازات في بلورة معقدة، يمكنها أن تتداخل وتنفذ عبر بعضها البعض، مما يسمح للحرارة بالتسلل حتى عندما يتم حظر تدفق الجسيمات. ولكن في هذه السلاسل الملتوية، كانت الاهتزازات موضعية للغاية ومستويات الطاقة متميزة جداً، لدرجة أن النفاذ الموجي قد تم سحقه أيضاً. وهكذا، تم فصل وقمع قناتي نقل الحرارة اللتين تتنافسان عادة أو تعوض كل منهما الأخرى في آن واحد.

الأرقام الناتجة عن عمليات المحاكاة مذهلة. فبالنسبة لمركب "سيلينيد يوديد الإنديوم"، تم قياس الحرارة المتدفقة بين السلاسل عند درجة حرارة الغرفة عند 0.198 واط لكل متر-كلفن فقط. وهذه قيمة منخفضة للغاية، ولكن الأكثر إثارة للدهشة كانت النتائج للمركبات ذات الصلة، "سيلينيد يوديد الغاليوم" و"سيلينيد يوديد الألمنيوم"، حيث حققت هذه المواد قيماً أقل، لتصل إلى 0.086 و0.089 واط لكل متر-كلفن على التوالي عند درجة حرارة الغرفة. ولتوضيح الصورة، فإن هذه القيم منخفضة جداً لدرجة أنها تقترب من الحد النظري لأقل قدر من التوصيل الحراري يمكن أن تملكه بلورة صلبة. وحتى عند درجات حرارة عالية تصل إلى 900 كلفن، حافظت هذه المواد على قدرتها العازلة، حيث انخفضت القيم إلى 0.058 و0.059 واط لكل متر-كلفن. وهذا السلوك غير معتاد لأن العديد من المواد التي تحجب الحرارة جيداً في درجات الحرارة المنخفضة تبدأ في توصيل المزيد من الحرارة مع ارتفاع درجة حرارتها، لكن هذه البلورات استمرت في التحسن في العزل مع ارتفاع درجة الحرارة.

يكمن مفتاح هذا النجاح في التصميم المحدد للمادة. فقد أظهر الباحثون أن الذرات الثقيلة والارتباطات الضعيفة بين السلاسل أجبرت الاهتزازات على الدخول في حالة تكاد تنعدم فيها سرعتها. وبلغة الفيزياء، تم تقليل "السرعة الجماعية" (group velocity)، التي تصف سرعة انتقال الاهتزاز، إلى حالة شبه ساكنة. حدث هذا لأن الاهتزازات تعرضت للانضغاط في نطاقات طاقة مسطحة، مما يعني عدم وجود مساحة لها للحركة أو الانتشار. وقد أكد الفريق ذلك من خلال تحليل توزيع الإلكترونات، الذي أظهر أن الإلكترونات كانت مرتبطة بإحكام داخل السلاسل ولكنها كانت حرة ومنتشرة تماماً بينها. وقد أكد هذا أن السلاسل كانت متماسكة بقوى ضعيفة جداً، مما سمح للاهتزازات بأن تصبح محاصرة.

يشير هذا العمل إلى أن الطريق نحو أدنى موصلية حرارية ممكنة لا يكمن في جعل البلورات أكثر تعقيداً أو إضافة المزيد من الشوائب لتشتيت الحرارة، بل في خلق نوع محدد من الحصر. فمن خلال تصميم مواد تُجبر فيها الاهتزازات على البقاء في مكانها، يمكن للعلماء إيقاف حركة الحرارة بأي شكل من الأشكال. تقدم هذه الدراسة مثالاً واضحاً على كيفية استخدام "الحصر البعدي" (dimensional confinement) - أي تقييد المادة إلى شكل أحادي البعد - لهندسة خصائص كان يُعتقد سابقاً أنها مستحيلة التحقيق في بلورة واحدة. وتوفر هذه النتائج اتجاهاً جديداً لإنشاء مواد يمكنها حماية الإلكترونيات الحساسة من الحرارة أو تحسين كفاءة الأجهزة التي تحول الحرارة المهدرة إلى كهرباء، وذلك من خلال التغلب أخيراً على المقايضة الأساسية التي حدت من العزل الحراري لفترة طويلة.