Correlated quasiperiodicity enables efficient thermoelectric energy conversion

غالبًا ما يُنظر إلى الحرارة على أنها هدر، نتاج ثانوي للمحركات والإلكترونيات يتسرب ببساطة إلى الهواء. ومع ذلك، بحث العلماء لعقود عن وسيلة لتحويل تلك الحرارة الضائعة مباشرة إلى كهرباء، وهي عملية تُعرف بالكهرباء الحرارية (thermoelectricity). تخيل جهازًا يمكنه تشغيل مستشعر باستخدام الحرارة الناتجة من محرك سيارة أو شريحة كمبيوتر، مما يوفر طريقة نظيفة وخالية من الأجزاء الميكانيكية لتوليد الطاقة. تُقاس كفاءة مثل هذا الجهاز برقم محدد؛ وكلما ارتفع هذا الرقم، كان المادة أفضل في تحويل الحرارة إلى كهرباء. ولفترة طويلة، ظل هذا الرقم منخفضًا للغاية بحيث لا يسمح بالاستخدام على نطاق واسع، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن المواد التي توصل الكهرباء جيدًا تميل أيضًا إلى توصيل الحرارة جيدًا، مما يجعل من الصعب حجز الحرارة حيث هي مطلوبة لتوليد الطاقة.

لقد وجد الباحثون أن تقليص المواد إلى مقياس الذرات الفردية يغير القواعد. في هذه الأنظمة متناهية الصغر ومنخفضة الأبعاد، يمكن التلاعب بطريقة حركة الإلكترونات لتعزيز توليد الكهرباء مع إبقاء تدفق الحرارة منخفضًا. ومع ذلك، كان العثور على الترتيب الصحيح للذرات لتحقيق هذا التوازن تحديًا. تستكشف دراسة جديدة من فيزيائيين في المعهد الإحصائي الهندي حلاً وسطًا فريدًا بين النظام المثالي والفوضى التامة. فقد بحثوا في نوع معين من الترتيب الذري يسمى "البنية شبه الدورية" (quasiperiodic structure)، حيث يتكرر النمط ولكن لا يتطابق تمامًا أبدًا، مما يخلق مشهدًا ليس عشوائيًا ولا منتظمًا. ومن خلال ضبط هذا النمط بعنافية، اكتشف الفريق طريقة لإنشاء نظام كهرحاري عالي الكفاءة، مما قد يحل المشكلة طويلة الأمد المتمثلة في موازنة التدفق الكهربائي والحراري.

ركز الباحثون على سلسلة أحادية البعد من الذرات، وهو نموذج نظري يعمل مثل سلك دقيق يربط بين حوضين حراريين، أحدهما ساخن والآخر بارد. في السلسلة المنتظمة والمثالية، تتدفق الإلكترونات بحرية، حاملة معها الكهرباء والحرة بكفاءة. وهذا أمر جيد لنقل التيار، ولكنه سيئ لتوليد الجهد من فرق درجات الحرارة، لأن الحرارة تتحرك بسهولة بجانب الكهرباء. أدخل الفريق نوعًا محددًا من الاضطراب في هذه السلسلة، ليس الفوضى العشوائية الموجودة في الزجاج المكسور، بل نمطًا "متغيرًا بضعف". يتم تحديد هذا النمط بواسطة قاعدة رياضية تغير مستويات طاقة الذرات على طول السلسلة بطريقة سلسة وغير متكررة. يُعرف هذا النوع المحدد من الاضطراب باسم "جهد أوري-أندري-هاربر المتغير بضعف" (weakly varying Aubry-André-Harper potential)، وهو اسم يصف فئة خاصة من الترتيبات غير المتوافقة أو غير المتطابقة.

عندما قام العلماء بمحاكاة هذا النظام، وجدوا أن الاضطراب المتغير بضعف خلق مشهدًا غير مستوٍ للغاية للإلكترونات. فبدلاً من التدفق بسلاسة، واجهت الإلكترونات طيف نقل مليئًا بالقمم الحادة والوديان العميقة. هذا عدم الانتظام هو مفتاح نجاح النظام؛ فهو يجبر الإلكترونات على التصرف بشكل مختلف اعتمادًا على طاقتها، مما يخلق عدم تماثل قويًا. وعندما وضع الباحثون مستوى طاقة النظام، المعروف باسم "طاقة فيرمي" (Fermi energy)، بالقرب من حافة هذه القمم، لاحظوا زيادة هائلة في "معامل سيبك" (Seebeck coefficient)، وهو مقياس لمدى الجهد الناتج عن فرق درجات الحرارة. وفي الوقت نفسه، ظلت الموصلية الكهربائية عالية بما يكفي لتكون مفيدة، وانخفض تدفق الحرارة عبر الإلكترونات بشكل كبير. سمح هذا المزيج للنظام بتحقيق "رقم الجدارة" (figure of merit)، وهو الرقم الذي يحدد الكفاءة، ليتجاوز الرقم اثنين، وهي قيمة تعتبر ضرورية لتحويل الطاقة العملي.

ذهبت الدراسة إلى أبعد من ذلك من خلال مراعاة حركة الحرارة عبر الذرات نفسها، والمعروفة باسم "الفونونات" (phonons). في العديد من المواد، تنتقل الحرارة كاهتزازات في الشبكة الذرية، مما قد يقوض كفاءة الجهاز. قام البحثاء بنمذجة السلسلة كسلسلة من الكتل المتصلة بنوابض وحسبوا كيفية انتقال هذه الاهتزازات عبر النمط المضطرب. ووجدوا أن نفس النمط غير المنتظم الذي ساعد الإلكترونات قد قام أيضًا بتشتيت الاهتزازات الناقلة للحرارة. أدى هذا التشتت إلى تقليل الموصلية الحرارية للشبكة، مما عزز الكفاءة الإجمالية. وحتى عند تضمين المساهمات الإلكترونية والفونونية في تدفق الحرارة في الحسابات، حافظ النظام على رقم جدارة أعلى من اثنين بكثير، ليصل إلى ثلاثة في بعض التكوينات. وأكد هذا أن الطريقة المقترحة تعمل حتى عند مراعاة التعقيد الكامل لانتقال الحرارة.

اختبر الفريق أيضًا مدى حساسية هذه النتيجة للتغيرات في النظام. فقد قاموا بتغيير قوة الاضطراب، وحجم السلسلة، ودرجة الحرارة. ووجدوا أن الكفاءة العالية لم تكن ضربة حظ لإعداد واحد، بل ظهرت عبر مجموعة واسعة من الظروف. فعلى سبيل المثال، أدى تغيير درجة عدم التطابق في النمط إلى استجابة متعرجة، حيث ظهرت الكفاءة العالية عند عدة إعدادات محددة. كما تحققوا من كيفية تأثير الاتصال بين السلسلة والأقطاب الكهربائية على النتائج. وبينما أدت الاتصالات الأقوى عمومًا إلى خفض الكفاءة قليلاً، ظل النظام قويًا وفعالاً عبر مختلف درجات قوة الاقتران. وللتأكد من أن نتائجهم فريدة من هذا النوع من الاضطراب، قارنوا نتائجهم بنسخة تقليدية قياسية من نفس النموذج. أنتج النموذج التقليدي، الذي يفتقر إلى ميزة "التغير الضعيف"، قيم كفاءة أقل، مما أكد أن التباين السلس في نمطهم المختار كان العامل الحاسم.

نظر الباحثون أيضًا فيما إذا كان يمكن بناء هذا النموذج النظري في مختبر حقيقي. وأشاروا إلى أنه تم بالفعل إنشاء أنماط مماثلة باستخدام الليزر والذرات فائقة البرودة، حيث يخلق الضوء مشهد الطاقة اللازم للذرات. كما اقترحوا أنه يمكن استخدام مصفوفات من البوابات الصغيرة على سلك نانوي لتطبيق ملف الجهد المطلوب مباشرة. تشير هذه الاحتمالات إلى أن النظام ليس مجرد فضول رياضي، بل هو تصميم قابل للتنفيذ لأجهزة مستقبلية. ومن خلال حساب خرج الطاقة لفرق درجات حرارة واقعي، قدر الفريق أن نظامهم المقترح يمكنه توليد كمية قابلة للقياس من الطاقة، مما يثبت أن أرقام الكفاءة العالية تترجم إلى إمكانات فعلية لتحويل الطاقة.

يسلط هذا العمل الضوء على مسار جديد للمواد الكهرحارية. فبدلاً من محاولة هندسة بلورات مثالية أو الاعتماد على العيوب العشوائية، تظهر الدراسة أن "الاضطراب المترابط" المصمم بعناية يمكن أن يكون أكثر فعالية. فالنمط المتغير بضعف يخلق بيئة فريدة تتصرف فيها الإلكترونات والحرارة بشكل مختلف، مما يسمح بإنتاج كهربائي عالٍ وفقدان حراري منخفض في آن واحد. تشير النتائج إلى أنه من خلال ضبط المعايير المحددة لهذا النمط، يمكن للعلماء تصميم مواد أكثر كفاءة في حصاد الحرارة المهدرة من التقنيات الحالية. وبينما تعتمد الدراسة على المحاكاة العددية بدلاً من التجارب الفيزيائية، فإن النتائج متسقة عبر مجموعة واسعة من المعايير، مما يوفر أساسًا نظريًا قويًا للعمل التجريبي المستقبلي. وتتجاوز التطبيقات المحتملة مجرد توليد الطاقة البسيط، لتلمح إلى طرق جديدة للتحكم في النقل الكمي والتحولات الطورية في الأنظمة النانوية.