في مجال تطوير الأجهزة الإلكترونية، وتقنيات توفير الطاقة، وتقنيات العرض الحديثة، بات التحكم في الحرارة مسألة بالغة الأهمية. وقد حظيت البلورات الكهروحرارية، المعروفة أيضاً باسم “المفاتيح الحرارية”، باهتمام واسع في السنوات الأخيرة، إذ تُقدم طريقة جديدة لتنظيم تدفق الحرارة باستخدام الإشارات الكهربائية. وأعلن فريق بحثي في جامعة هوكايدو مؤخراً عن نجاحه في ابتكار مفتاح حراري صلب بالكامل باستخدام ثاني أكسيد السيريوم الشائع والرخيص، متفوقاً في أدائه على النماذج السابقة، مما يُسهم بشكل كبير في تطوير التطبيقات العملية لتقنية إدارة الحرارة.
جدول المحتويات
العودة المذهلة للمواد الرخيصة: إعادة اكتشاف إمكانات ثاني أكسيد السيريوم.
تعتمد المفاتيح الحرارية التقليدية عالية الأداء عادةً على معادن نادرة مثل الكوبالت أو النيكل كطبقة فعالة. وتُستخدم هذه المعادن على نطاق واسع في بطاريات الليثيوم أيون، مما يُؤدي إلى ضغوط على الموارد مع ازدياد الطلب. يكمن ابتكار جامعة هوكايدو في الاستغناء عن المعادن النادرة واستخدام ثاني أكسيد السيريوم الرخيص والمتوفر بكثرة. هذه المادة عبارة عن مسحوق تلميع يُستخدم على نطاق واسع في صناعة الزجاج؛ وهي متوفرة بسهولة ورخيصة الثمن، ومع ذلك فقد أظهرت إمكانات عالية غير متوقعة في مجال التحكم الحراري.
تألف فريق البحث من الباحث ما بعد الدكتوراه جون ألين، والبروفيسور هيروميتشي أوتا، وطالب الدراسات العليا ميتسو يوشيمورا. وقد أثبتوا بنجاح أنه حتى باستخدام مواد شائعة كهذه، من الممكن ابتكار مكونات عالية الأداء للتحكم الحراري تتفوق على التقنيات السابقة.
تبديل الموصلية الحرارية بين الأكسدة والاختزال: آلية عمل المفتاح الحراري
قام فريق البحث بتصنيع مفتاح حراري صلب بالكامل باستخدام ثاني أكسيد السيريوم كطبقة فعالة. بعد تسخينه إلى 280 درجة مئوية في الهواء، استخدموا إشارات كهربائية لتغيير الحالة الكهروكيميائية للمادة، وبالتالي تغيير موصليتها الحرارية. عندما كانت المادة في حالة مختزلة، انخفضت موصليتها الحرارية بشكل ملحوظ، بينما في حالة مؤكسدة، زادت موصليتها الحرارية بشكل كبير.
تبلغ الموصلية الحرارية في الحالة المختزلة حوالي 2.2 واط/متر.كلفن، بينما تصل إلى 12.5 واط/متر.كلفن في الحالة المؤكسدة. ويُعدّ الفرق في الموصلية الحرارية بين حالتي التشغيل والإيقاف ملحوظًا للغاية، حيث يصل نطاق التبديل إلى 10.3 واط/متر.كلفن، أي ما يقارب ضعف نطاق المفاتيح الحرارية الحالية التي تستخدم أغشية رقيقة من SrCoOx أو LaNiOx، كما أن التشغيل مستقر وموثوق.
هذا الإنجاز في الأداء يعني أن المفاتيح الحرارية يمكن أن تكون أكثر حساسية وكفاءة، مما يحسن بشكل كبير من الأداء الوظيفي في مجموعة متنوعة من تطبيقات إدارة الحرارة.
تجد إدارة الحرارة تطبيقات جديدة: من توفير الطاقة إلى شاشات العرض الحرارية
لا يُعد هذا الإنجاز مجرد طفرة في علم المواد، بل يُمثل أيضًا علامة فارقة في التطبيق العملي لتقنية إدارة الحرارة. ومن المتوقع أن تُستخدم هذه التقنية، القادرة على تغيير التوصيل الحراري كهربائيًا، في شاشات العرض الحرارية مستقبلًا، لعرض الصور أو المعلومات من خلال تباينات حرارية مختلفة، مما يفتح آفاقًا جديدة في أساليب العرض تختلف عن الشاشات التقليدية. علاوة على ذلك، سيؤدي هذا المفتاح الحراري عالي الأداء دورًا محوريًا في تبديد الحرارة الذكي، واستغلال الحرارة المهدرة، ومكونات المنطق الحراري من الجيل القادم.
أعلن فريق بحثي من جامعة هوكايدو أنهم طوروا جيلين من المفاتيح الحرارية الصلبة بالكامل في عامي 2023 و2024، إلا أن هذين الجيلين كانا يتطلبان استخدام مواد معدنية نادرة. ويُعدّ استخدام ثاني أكسيد السيريوم هذه المرة إنجازًا يُشير إلى أن تقنية المفاتيح الحرارية قد انتقلت رسميًا من مرحلة “التجريب العملي” إلى مرحلة “الإنتاج بكميات كبيرة والتطبيق على نطاق واسع”، مما يُقلّص بشكل كبير المسافة إلى تطبيقها العملي.
التوقعات المستقبلية: نحو تكنولوجيا مكونات التحكم الحراري القابلة للإنتاج بكميات كبيرة حقًا
نُشر هذا البحث في مجلة *Science Advances* بتاريخ 2 يناير 2025، وقُدِّم طلب براءة اختراع في الوقت نفسه. سيركز فريق البحث لاحقًا على تعديل البنية المجهرية للمادة لتحسين أداء تبديل التوصيل الحراري، وسيبدأ أيضًا في تصنيع نموذج أولي لشاشة عرض حرارية لإدخال هذه التقنية في التطبيقات اليومية.
ختاماً
أثبتت الأبحاث التي أجرتها جامعة هوكايدو بنجاح أن التكنولوجيا المتطورة لا تعتمد بالضرورة على مواد باهظة الثمن أو نادرة. فقد تم تصميم ثاني أكسيد السيريوم، المتوفر بكثرة على سطح الأرض والذي يُعتبر مادة صناعية شائعة، ببراعة ليُشكّل قلبًا مبتكرًا لمفتاح حراري عالي الأداء. لا يُحسّن هذا الإنجاز كفاءة مكونات إدارة الحرارة فحسب، بل يُسرّع أيضًا انتقال التكنولوجيا من المختبر إلى التطبيقات العملية، ومن المتوقع أن يكون له تأثير بالغ على ترشيد استهلاك الطاقة، وشاشات العرض، والأجهزة الإلكترونية، والتحكم الحراري في المستقبل.
مراجع:
- تم تطوير مفتاح حراري عالي الأداء باستخدام ثاني أكسيد السيريوم، والذي من المتوقع أن يضاعف نطاق تبديل التوصيل الحراري.
- تحقيق مفاتيح حرارية فائقة الأداء باستخدام مواد شائعة – تسريع تطوير أجهزة التحكم الحراري العملية – (الأستاذ هيروميتشي أوتا، المعهد الوطني للإلكترونيات وتكنولوجيا المعلومات)
(首圖來源:北海道大學)
بالنسبة للطحن، نقدم تعديلات مخصصة، مما يسمح لك بتعديل النسب لتحقيق أقصى قدر من الكفاءة بناءً على احتياجات المعالجة الخاصة بك.
إذا كنت لا تزال لا تعرف كيفية اختيار الأنسب بعد قراءة المقال.
لا تتردد في الاتصال بنا؛ لدينا متخصص للإجابة على أسئلتك.
لا تتردد في الاتصال بنا إذا كنت ترغب في الحصول على عرض أسعار مخصص.
ساعات خدمة العملاء: من الاثنين إلى الجمعة، من الساعة 9:00 صباحاً إلى الساعة 6:00 مساءً
رقم الهاتف: +886 07 223 1058
لا تتردد في مراسلتي على فيسبوك إذا كانت لديك أي أسئلة حول مواضيع محددة أو إذا لم تتمكن من شرح الأمور بوضوح عبر الهاتف.
صفحة Honway على فيسبوك: https://www.facebook.com/honwaygroup
قد تهمك هذه المقالات…
[wpb-random-posts]
