کشف معمای قدیمی انتقال گرما در گرافن توسط دانشمندان ایرانی

تیمی از دانشمندان ایرانی دانشگاه ایلینویز در شیکاگو و همکارانشان در دانشگاه ماساچوست-امهرست و دانشگاه ایالتی بویزی، معمای قدیمی چگونگی اثرگذاری مرز بین دانه‌های گرافن بر رسانایی گرمایی فیلم‌های نازک این ماده را حل کردند.

کد خبر: ۱۱۹۴۲۶۲

تاریخ: ۳۰ خرداد ۱۳۹۴ - ۱۱:۴۹

به گزارش خبرگزاری دانا، کشف «پویا یسایی»، «امین صالحی خوجین»، «رضا حنطه‌زاده»، «فاطمه خلیلی عراقی»، «آرمان فتحی زاده» و همکارانشان، محققان را یک گام به سمت مهندسی‌کردن فیلم‌های گرافن در سطح کارآمد برای ابزار میکروالکتریکی خنک‌کننده و صدها کاربرد فناورانه دیگر نزدیک می‌کند.

از زمان کشف گرافن، این ماده که لایه‌ای منفرد از اتم‌های کربن است، همواره دارای قابلیت‌های مهمی در رسانایی گرمایی و الکتریکی بوده است.

به گفته «پویا یسایی»، دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی شریف و فارغ‌التحصیل مهندسی مکانیک و صنعتی دانشگاه ایلینویز و همچنین نویسنده نخست این مقاله، هر ابزار نانورفناورانه‌ای از ویژگی‌های فوق‌العاده‌ گرافن برای انتشار گرما و بهینه‌سازی کاربرد الکتریکی بهره می‌برد.

محققان در مطالعه‌ای دو ساله، شیوه‌ای را برای اندازه‌گیری انتقال گرمایی در عرض مرز منفرد دانه گرافن اندازه‌گیری کردند و با کمال تعجب دریافتند بزرگی این انتقال گرمایی، 10 برابر پایین از آن چیزی است که از لحاظ نظری پیش‌بینی شده بود.

آن‌ها سپس مدل‌های رایانه‌ای را طراحی کردند که مشاهدات شگفت‌انگیزشان را در سطح اتمی و سطوح ابزاری توضیح می‌دهد.

به گفته «امین صالحی خوجین»، استادیار مهندسی مکانیک و صنعتی دانشگاه ایلینویز و بازرس ارشد این تحقیق، فیلم‌های گرافن برای کاربردهای نانوفناورانه از بلورهای ریز گرافن ساخته‌ شده‌اند. در تولید فیلم‌هایی که برای کاربردهای عملی به اندازه کافی بزرگ باشد، در مرزهای بین بلورهای تشکیل‌دهنده این فیلم خطاهایی رخ می‌دهد.

تیم علمی، سیستم آزمایشگاهی قابل تنظیمی را ارائه داده که یک فیلم گرافن را بر روی غشای سیلیکون-نیترات قرار می‌دهد و می‌تواند انتقال گرما از یک بلور گرافن منفرد به بلور دیگر را اندازه‌گیری کند. غشای به‌کاررفته در این سیستم فقط چهار میلیونم یک اینچ ضخامت داشت.

به گفته «رضا حنطه‌زاده»، یکی از نویسندگان این مقاله و فارغ‌التحصیل دانشگاه ایلینویز و محقق کنونی شرکت اینتل، این سیستم حتی به ریزترین انحرافات مانند یک مرز دانه در مقیاس نانومتر حساس است.

زمانی که دو بلور به طور منظم آرایش می‌شوند، انتقال گرما درست آن طور که نظریات پیش‌بینی می‌کنند، رخ می‌دهد اما چنانچه دو بلور به خوبی آرایش نشوند، انتقال گرما 10 برابر کمتر است.

برای در نظرگرفتن تفاوت این بزرگی، تیم علمی به همراه «فاطمه خلیلی عراقی»، دانش‌آموخته دانشگاه صنعتی شریف و استادیار فیزیک دانشگاه ایلینویز و یکی از محققان ارشد این تحقیق، نوعی شبیه‌سازی رایانه‌ای را از انتقال گرمایی بین مرزهای دانه گرافن در سطح اتمی طراحی کردند.

خلیلی عراقی و همکارانش دریافتند زمانی که رایانه، مرزهای دانه را با زوایای عدم‌انطباق مختلف شکل داد، مرز دانه نشان‌دهنده فقط یک خطا نبود، بلکه ناحیه‌ای از اتم‌های به‌هم‌ریخته بود. وجود یک ناحیه به‌هم‌ریخته، در مدل رایانه‌ای بر میزان انتقال گرمایی تا حد زیادی اثر گذاشت و ارزش‌های آزمایشگاهی را توضیح داد.

فاطمه خلیلی عراقی در این باره گفت: در صورت وجود زوایای عدم‌انطباق بزرگ‌تر، این ناحیه به هم ریخته می‌تواند بی‌نظم‌تر یا حتی وسیع‌تر باشد.

«آرمان فتحی زاده»، محقق پسادکترای دانشگاه ایلینویز در رشته فیزیک نیز گفت: با شبیه‌سازی جدید می‌توانیم دقیقا مشاهده کنیم در سطح اتمی چه رخ می‌دهد و اکنون می‌توانیم چندین مولفه از جمله شکل و اندازه مرزهای دانه‌ گرافن و همچنین اثر زیرلایه را توضیح دهیم.

جزئیات این دستاورد بزرگ علمی در مجله Nano Letters ارائه شده است.