مهندسان ثابت می‌کنند که بنا به نیاز، یک ماده می‌تواند هم رسانا و هم عایق حرارتی باشد

محققان دانشکدۀ مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه ویرجینیا راهی برای ساخت رسانای حرارتی چندکاره پیدا کرده‌اند که نوید دستگاه‌های الکترونیکی کم‌مصرف‌تر، ساختمان‌های سبز  و کاوش فضایی را می‌دهد.
آنها ثابت کرده‌اند که امروزه، حالت بسیار خالص ماده معروف به‌کاررفته در تجهیزات الکترونیکی می‌تواند نقش رگولاتور حرارتی را نیز ایفا کند. با وجود این نوع جدید مواد، مهندسان می‌توانند رسانش حرارتی را بنا به نیاز افزایش یا کاهش دهند، عایق حرارتی را به رسانا تبدل کنند و بالعکس. 
این گروه تحقیقاتی یافته‌هایش را کمی قبل در بهار امسال در مقاله‌ای منتشر کرد. عنوان مقاله ارتباطات طبیعت: مشاهدۀ تغییر رسانش حرارتی دوسویه حالت جامد در زیرکنات سرب پادفروالکتریک  بود.
کنترل دوسویه یا «تنظیم» مواد رسانای حرارتی کاربرد بسزایی در حوزۀ الکترونیک و دستگاه‌هایی خواهد داشت که باید در دماهای فرین کار کنند یا نوسانات دمایی شدید را تحمل کنند. فضا یکی از سناریوهایی است که در آن، دستگاه‌ها باید تحت این شرایط سخت کار کنند. 
کیومرث آریانا  بهار امسال مدرک دکتری مهندسی مکانیک و هوافضا را از دانشگاه ویرجینیا گرفت و اولین نویسندۀ مقالۀ ارتباطات طبیعت است. به گفتۀ او، «نوسانات دمایی در فضا ممکن است خیلی شدید باشند. این نوع فناوری انتقال حرارتی می‌تواند امتیاز بزرگی در ساخت وسایل و دستگاه برای کاوش فضایی باشد». 
آریانا گفت: «نمونه بارز آن مریخ‌نورد  است». دمای زمین محل فرود مریخ‌نورد می‌تواند در روز به 70 درجۀ فارنهایت و در شب به منفی 146 درجه برسد. برای ادامۀ فعالیت دستگاه‌ها در این نوسانات دمایی شدید، مریخ‌نورد از جعبۀ عایق و گرمکن برای جلوگیری از انجماد قطعات و داغ کردن رادیاتورها استفاده می‌کند
به گفتۀ آریانا، «این نوع مدیریت حرارت به‌شدت ساده‌تر است و تعدیل حرارت را آسان‌تر و سریع‌تر می‌کند. درحالی‌که گرمایش یا سرمایش رادیاتور یا عایق خیلی طول می‌کشد، سازوکار حالت جامد تقریباً آنی عمل می‌کند. تسلط بر تغییرات دمایی سریع ایمنی را خیلی بالاتر می‌برد. چون که گرمایش و سرمایش می‌توانند هم پا با تغییرات دمایی باشند، احتمال نقص فنی ناشی از سرما و گرما یا اتفاقات بدتر کاهش‌یافته است». 
درعین‌حال، روی کرۀ زمین، این ماده کاربردهای نویدبخشی مانند مدیریت گرمایش و سرمایش در مقیاس وسیع (مانند ساختمان‌ها) و مقیاس محدود (مانند صفحه مدار دستگاه‌های الکترونیکی) دارد. انرژی کمتر مساوی فناوری سبزتر و هزینه پایین‌تر. 
این پیشرفت موجب ادامۀ همکاری طولانی مدتی بین جان ایلفلد  و پاتریک هاپکنیز  شد. جان ایلفلد دانشیار مهندسی و علوم مواد و مهندسی رایانه و برق دانشگاه ویرجینیا است و پاتریک هاپکینز استاد مهندسی و مهندسی مکانیک و هوافضا و مشاور آریاناست.
در دهۀ اخیر، تیم ایلفلد – هاپکینز در حوزۀ رسانش حرارتی مواد بلورین پیشتاز بوده است. این امر ابتدا در آزمایشگاه ملی ساندیا  و حالا در دانشگاه ویرجینیا رخ‌داده است. 
تنظیم‌پذیری مختص نوعی مواد کاربردی به نام فروالکتریک است. فروالکتریک تخصص گروه تحقیقاتی ایلفلد در زمینۀ مواد پوسته نازک چندکاره است. 
به گفتۀ ایلفلد، «مادۀ فروالکتریک مثل آهنرباست، فقط به‌جای قطب جنوب و شمال، بار مثبت و منفی دارد». با اعمال ولتاژ یا میدان الکتریکی به مادۀ فروالکتریک، قطبیت سطح مواد به حالت برعکس «تبدیل» می‌شود و تا زمان اعمال ولتاژ مخالف، همان‌طور باقی می‌ماند. 
به گفتۀ هاپکینز، «رسانش حرارتی معمولاً جزو خصوصیات ایستای مواد محسوب می‌شود. برای تغییر رسانای حرارتی به عایق، باید ساختارش را برای همیشه عوض کنید یا آن را با مادۀ جدیدی ادغام کنید». 
تحقیقات قبلی ایلفلد و هاپکینز شیوۀ کاهش رسانش حرارتی با میدان الکتریکی و شیوۀ افزایش رسانش حرارتی را با افزودن این ماده به دستگاه نشان دادند، ولی نمی‌توانستند از این ماده در هر دو جهت استفاده کنند. 
در این پروژه، تیم تحقیقاتی از مادۀ پادفروالکتریکی استفاده کرد که حرارت و ولتاژ در آن نقش دارند.
به گفتۀ هاپکینز، «نه‌تنها این مادۀ جالب بلور باکیفیتی است که جریان‌های رسانای حرارتی مثل شیشۀ بی‌شکل دارد، بلکه با حالت جامد خود، به ما دو دکمۀ خاص برای تغییر رسانش حرارتی می‌دهد. می‌توانیم سریع با لیزر به بلور حرارت بدهیم یا با اعمال ولتاژ، رسانش حرارتی و انتقال حرارت را تنظیم کنیم». 
به گفتۀ آریانا، «سعی کردیم که از نمونۀ تجاری زیرکنات سرب برای آزمایش رسانش حرارتی دوسویه استفاده کنیم، ولی نتیجه نداد». لین مارتین  استاد ممتاز علوم مواد و مهندسی و رئیس دپارتمان دانشگاه برکلی کالیفرنیا  است. او نمونۀ فوق‌العاده خالصی را از زیرکنات سرب ارائه کرد. آریانا گفت: «با استفاده از نمونۀ لین، به‌یک‌باره 38% تغییر دوسویه در رسانش حرارتی داشتیم که پیشرفت عظیمی است». 
ساختار مواد پادفروالکتریک ماهیت دوسویه دارند. در کوچک‌ترین واحد تکراری شبکۀ بلور، قطبش یک نیمه به سمت بالا و قطبش نیمه دیگر به سمت پایین است، به‌طوری که بارهای مثبت و منفی یکدیگر را خنثی می‌کنند. زیر حرارت، ساختار بلور تغییر کرده و خاصیت پادفروالکتریکی از بین می‌رود و رسانش حرارتی افزایش می‌یابد. اعمال میدان الکتریکی اثر عکس را دارد: ماده را تبدیل به فروالکتریک می‌کند و رسانش حرارتی را پایین می‌آورد. با حذف ولتاژ، قطبش خالص به صفر می‌رسد. 
تغییر قطبش و چیدمان اتم‌های موافق ساختار پادفروالکتریک بلور منجر به پراکندگی حرارتی قابل‌مشاهده و سنجش می‌شود (مانند نشانۀ حرارتی). به‌عبارت‌دیگر، انرژی مواد را به شکل کنترل شده و پیش‌بینی‌شده‌ای پخش می‌کند. 
اعضای آزمایش و شبیه‌سازی هاپکینز در گروه تحقیقات مهندسی حرارتی پیشرفت‌های بسیاری در حوزۀ اندازه‌گیری مواد با لیزر داشته‌اند. مقالۀ ارتباطات طبیعت نوآوری در حوزۀ آزمایش‌های اپتیکی با حرارت سنجی محسوب می‌شود. در این آزمایش‌ها، دانشجویان با لیزر سوم گرمایش سریعی ایجاد کردند تا با انتقال از ساختار پادفروالکتریک به پاراالکتریک، لایۀ پادفروالکتریک را تعدیل کنند و کاری کنند که با اعمال میدان الکتریکی، قطبش آن تغییر کند. 
برای تأثیرگذاری بر فناوری‌ها، مهندسان به سوئیچ «روشن – خاموش» بزرگ‌تری نیاز خواهند داشت تا درصد بسیار بیشتری از حرارت را سریعاً منتقل یا ذخیره کنند. در مراحل بعدی، تیم تحقیقاتی باید به دنبال تعریف بهتر محدودیت‌های این ماده باشد تا بتوانند مادۀ جدیدی را با نسبت سوئیچ بالاتر طراحی کنند و سرعت استفاده از موادی با رسانش حرارتی تنظیم‌پذیر را بالاتر ببرند. 

1. سازگار با محیط زیست
2. Antiferroelectric Lead Zirconate
3. Kiumars Aryana
4. Mars Rover
5. Jon Ihlefeld
6. Patrick E.Hopkins
7. Sandia National Laboratories
8. Lane Martin
9. Berkeley

افراد دارای مهارت در این زمینه

در صورتی که در این زمینه تخصص یا مهارتی دارید، پس از ثبت نام در سایت و تکمیل فرم مشخصات شخصی ، پروفایل خود را به لیست زیر اضافه نمایید .