Large Nernst effect in chemically derived multilayer graphene at millitesla magnetic fields
تُثبت هذه الورقة أن أغشية الجرافين متعددة الطبقات المشتقة كيميائياً، والتي تظهر تقلبات في السمك وكثافة حوامل الشحنة، تُظهر تأثير نيرنست كبيراً عند مجالات مغناطيسية بمستوى المليلتسلا، محققةً قيم قدرة كهروحرارية عرضية تصل إلى 250 ميكرو فولت/كلفن، مما يسلط الض الضوء على إمكاناتها لتوليد الطاقة الكهروحرارية القابلة للتوسع.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
غالبًا ما يُنظر إلى الحرارة على أنها هدر، نتاج ثانوي لتشغيل الآلات أو تدفق الكهرباء الذي يتبدد ببساطة في الهواء. ومع ذلك، بحث العلماء لعقود عن مواد يمكنها تحويل هذا الدفء المهدور مباشرة إلى كهرباء مفيدة، وهي عملية تُعرف باسم "الكهرباء الحرارية". ويكمن التحدي في إيجاد مادة توصل الكهرباء جيدًا ولكنها تعيق الحرارة، وهو مزيج يصعب تحقيقه. ويُعد الغرافيت، المادة الموجودة في سن قلم الرصاص، وقريبه الأكثر رقة، الغرافين، مواد وفيرة وموصلات ممتازة، مما يجعلها مرشحة جذابة. ومع ذلك، فهي تمتلك عيبًا جوهريًا لهذه المهمة: فهي مواد "متعادلة"، مما يعني أنها تحتوي على أعداد متساقة تقريبًا من حوامل الشحنة الموجبة والسالبة. وتميل هذه الشحنات المتضادة إلى إلغاء بعضها البعض، مما يؤدي إلى انعدام الجهد تقريبًا عند التسخين، مما يجعلها عديمة الفائدة لتوليد الطاقة في الظروف العادية.
اكتشف فريق من الباحثين في معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا وشركة "سكاندا روس" طريقة لتجاوز هذا القصور باستخدام ظاهرة تُسمى "تأثير نيرنست". يحدث هذا التأثير عندما يتم تسخين مادة أثناء وضعها في مجال مغناطيسي. في معظم المواد، يؤدي التسخين إلى إنشاء جهد يدفع الشحنات في خط مستقيم من الساخن إلى البارد. ولكن في المجال المغناطيسي، تنحرف الشحنات الموجبة والسالبة في اتجاهات جانبية متعاكسة، بدلاً من مجرد التحرك للأمام. ولأنها تتحرك في نفس الاتجاه الجانبي رغم اختلاف شحناتها، فإنها تتجمع بدلاً من أن تلغي بعضها البعض، مما يخلق جهدًا عرضيًا قويًا. تاريخيًا، تطلب رصد هذا التأثير درجات حرارة شديدة البرودة أو مغناطيسات ضخمة وقوية، مما جعله مجرد فضول في الفيزياء المختبرية بدلاً من كونه أداة عملية. وقد سعى الباحثون لمعرفة ما إذا كان يمكن استخراج هذا التأثير من طبقات الغرافين العادية المنتجة كيميائيًا في درجة حرارة الغرفة باستخدام مغناطيس دائم صغير فقط.
عمل الفريق على غشاء عياني من الغرافين متعدد الطبقات، وهي مادة تُنمى من خلال عملية كيميائية تؤدي إلى إنتاج شريحة ذات سمك متغير وبنية داخلية معقدة. قاموا بتشكيل هذا الغشاء على هيئة شريط طويل وضيق ووضعوه على منصة حيث يمكنهم التحكم في المجال المغناطيسي. وبدلاً من تسخين الشريط بأكمله، استخدموا شعاعًا مركزًا من الأشعة تحت الحمراء لتسخين نقطة صغيرة على الغشاء، مما خلق فرقًا حادًا في درجة الحرارة في موقع محدد للغاية. ومن خلال تحريك بقعة الليزر عبر الغشاء وقياس الجهد الذي يظهر بين نقاط اتصال مختلفة، رسموا خريطة لكيفية استجابة المادة للحرارة تحت ظروف مغناطيسية مختلفة.
في البداية، ومع عدم وجود مجال مغناطيسي، كانت النتائج فوضوية. فقد كان الجهد المقاس عند نقاط مختلفة يتذبذب بشدة، ويتغير من موجب إلى سالب مع تحرك الليزر. وكان هذا العشوائية ناتجة عن الطبيعة غير المتساوية للغشاء، حيث تعمل مناطق صغيرة كجزر منفصلة من الشحنة الموجبة أو السالبة. ومع ذلك، في اللحظة التي أدخل فيها الباحثون مجالاً مغناطيسيًا ضعيفًا جدًا، اختفت الفوضى. فحتى عند قوة مجال بلغت 4 مللي تسلا فقط — وهي جزء ضئيل من القوة المستخدمة في جهاز الرنين المغناطيسي القياسي — تلاشت التقلبات العشوائية. أصبح الجهد ثابتًا وقويًا، وظهر بوضوح عند حواف الغشاء. وقد نما الجهد العرضي، الذي يتدفق جانبيًا عبر المادة، ليتساوى ثم يتجاوز الجهد الذي يتدفق مباشرة على طول الغشاء.
حسب الباحثون قدرة المادة على توليد هذا الجهد الجانبي وكانت عالية بشكل ملحوظ. ففي أضعف مجال اختبروه، كان التأثير بالفعل مشابهًا لأفضل النتائج المرصودة في مواد أخرى عالية الأداء. ومع زيادة المجال المغناطيسي إلى 315 مللي تسلا، ارتفعت قدرة توليد الجهد إلى 250 ميكرو فولت لكل كلفن. ويعد هذا اكتشافًا مهمًا لأنه يثبت أن تأثير نيرنست يمكن أن يكون كبيرًا ومفيدًا في مادة سهلة التصنيع ولا تتطلب تبريدًا شديدًا. كما كش die الدراسة أن التأثير يكون في أقوى حالاته عندما تتماشى خطوط المجال المغناطيسي مع اتجاه تدفق الحرارة والتيار الناتج، وهو شرط أكده الباحثون من خلال قياس الجهد عند نقاط اتصال مثلثية محددة على الغشاء.
وأشار الفريق إلى أن نجاح هذه التجربة اعتمد على الحركية العالية للإلكترونات والثقوب داخل غشاء الغرافين، والتي يُرجح أنها تعززت بالطريقة التي التوت بها الطبقات بالنسبة لبعضها البعض أثناء النمو. وقد سمحت هذه البنية الداخلية للشحنات بالتحرك بحرية كافية للاستجابة بقوة للمجال المغناطيسي. وبينما لم يدّع الباحثون بناء مولد طاقة عامل، إلا أن نتائجهم تشير إلى أن الأوراق واسعة النطاق من هذه المادة يمكن استخدامها لحصد الطاقة من مصادر الحرارة باستخدام مغناطيسات دائمة صغيرة فقط. ويتحدى هذا العمل الرأي السائد منذ فترة طويلة بأن المواد القائمة على الغرافيت "متعادلة" للغاية بحيث لا يمكن الاستفادة منها في تطبيقات الكهروحرارية، مما يفتح مسارًا جديدًا لتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء باستخدام مواد وفيرة وسهلة التصنيع.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.