محققان دریافتند که چرا کریستال کامل در انتقال گرما خوب نیست ، حتی اگر اینطور باشد – ScienceDaily


جامد بلوری BaTiS3 (سولفور تیتانیوم باریم) در انتقال گرما افتضاح است و به نظر می رسد مقصر یک اتم تیتانیوم است که به طور همزمان در دو مکان وجود دارد.

این کشف توسط محققان Caltech ، USC و آزمایشگاه ملی Oak Ridge از آزمایشگاه وزارت انرژی (ORNL) انجام شد ، در تاریخ 27 نوامبر در مجله منتشر شد ارتباطات طبیعت. این یک دیدگاه اساسی در سطح اتمی یک خاصیت حرارتی غیرمعمول است که در چندین ماده مشاهده شده است. این کار مورد توجه ویژه محققانی است که در مورد استفاده بالقوه از مواد جامد بلوری با هدایت حرارتی ضعیف در کاربردهای حرارتی که در آن گرما مستقیماً به برق و بالعکس تبدیل می شود ، مطالعه می کنند.

آستین مینیچ ، استاد مهندسی مکانیک و فیزیک کاربردی در Caltech و همکار نویسنده کتاب گفت: “ما دریافتیم که تأثیرات مکانیکی کوانتوم می تواند نقش مهمی در تعیین خصوصیات انتقال حرارتی مواد حتی در شرایط شناخته شده مانند دمای اتاق داشته باشد.” ارتباطات طبیعت کاغذ.

بلورها معمولاً در انتقال گرما تبحر دارند. طبق تعریف ، ساختار اتمی آنها بسیار سازمان یافته است ، که به ارتعاشات اتمی – گرما – اجازه می دهد مانند موج از آنها عبور کند. از طرف دیگر ، عینک ها در انتقال گرما افتضاح هستند. ساختار درونی آنها بی نظم و دلخواه است ، به این معنی که ارتعاشات در هنگام عبور از اتم به اتم می پرند.

BaTiS3 متعلق به دسته ای از مواد به نام کالکوژنیدهای مربوط به پروسکایت است. جایاکانت راویچندران ، استادیار گروه مهندسی شیمی و علوم مواد خانواده مورک در USC Viterbi و تیم وی در حال بررسی آنها برای خواص نوری هستند و اخیراً مطالعه کاربردهای ترموالکتریک آنها را آغاز کرده اند.

“ما پیش بینی کردیم که BaTiS3 هدایت حرارتی کم وجود خواهد داشت ، اما این مقدار به طور غیر منتظره ای کم بود. مطالعه ما مکانیسم جدیدی برای دستیابی به رسانایی گرمایی پایین را نشان می دهد ، بنابراین س nextال بعدی این است که آیا الکترون های سیستم در مقابل گرما برای دستیابی به خواص خوب ترموالکتریک در سیستم روان جریان می یابند یا خیر؟ “

تیم متوجه شد که BaTiS3، همراه با چندین ماده جامد بلوری دیگر ، رسانایی گرمایی “شیشه ای” دارند. رسانایی حرارتی آن نه تنها با شیشه نامرتب قابل مقایسه نیست ، بلکه در واقع با کاهش دما خراب می شود ، که برعکس اکثر مواد است. در حقیقت ، رسانایی گرمایی آن در دمای برودتی از بدترین موارد است که تاکنون در ماده جامد کاملاً متراکم (غیر متخلخل) مشاهده شده است.

این تیم دریافت که اتم تیتانیوم در هر کریستال BaTiS3 در چیزی وجود دارد که به عنوان پتانسیل دو چاه شناخته می شود – یعنی. دو مکان مکانی در ساختار اتمی وجود دارد که اتم می خواهد باشد. اتم تیتانیوم که به طور همزمان در دو مکان وجود دارد ، به اصطلاح “سیستم دو سطح” ایجاد می شود. در این حالت ، اتم تیتانیوم دو حالت دارد: حالت پایه و حالت برانگیخته. ارتعاشات اتمی گذرا توسط اتم تیتانیوم جذب می شود ، که از پایه به حالت برانگیخته منتقل می شود و سپس به سرعت دوباره به حالت پایه فرو می رود. انرژی جذب شده به صورت لرزش و در هر جهت تابش می شود.

اثر کلی این جذب و انتشار ارتعاشات این است که انرژی اتلاف شده و صرفاً منتقل نمی شود. تشبیه می تواند تابش نور از طریق شیشه مات ، با اتم های تیتانیوم به عنوان یخ باشد. امواج ورودی از تیتانیوم منحرف می شوند و فقط بخشی از آنها از طریق مواد عبور می کنند.

مدت هاست که شناخته شده است که سیستم های دو سطح وجود دارد ، اما این اولین مشاهده مستقیم از یک سیستم است که برای ایجاد اختلال در هدایت حرارتی یک ماده کریستالی در محدوده دما گسترش یافته در اینجا بین 50 تا 500 کلوین کافی است.

محققان با بمباران BaTiS این اثر را مشاهده کردند3 کریستالهای نوترونی در فرایندی که به عنوان پراکندگی الاستیک با استفاده از منبع نوترون Spallation در ORNL شناخته می شود. وقتی از بلورها عبور می کنند ، نوترون ها انرژی خود را به دست می آورند یا از دست می دهند. این نشان می دهد که در بعضی موارد انرژی توسط یک سیستم دو مرحله ای جذب می شود و در برخی دیگر به آنها منتقل می شود.

“برای کشف این رمز و راز در مورد ساختار و پویایی اتمهای تیتانیوم ، به یک کارآگاهی واقعی نیاز است. در ابتدا به نظر می رسید که اتمها از نظر موقعیتی بی نظم هستند ، اما کم عمق بودن یک چاه بالقوه به این معنی است که آنها نمی توانند برای مدت طولانی در موقعیت خود بمانند. “، می گوید مایکل مانلی ، یک محقق ارشد در ORNL و نویسنده مشترک کتاب ارتباطات طبیعت کاغذ. سپس رافائل هرمان ، محقق ORNL ، پیشنهاد داد که محاسبات کوانتومی برای دو برابر انجام شود. “کاملاً شناخته شده است که البته اتم ها می توانند تونل بزنند ، اما ما انتظار نداشتیم که آن را با چنین فرکانس بالا با یک اتم بزرگ در یک کریستال ببینیم. اما مکانیک کوانتوم واضح است: اگر سد بین چاه ها به اندازه کافی کوچک باشد ، پس چنین فرکانس زیادی تونل زنی در واقع امکان پذیر است و باید منجر به پراکندگی شدید فونون و در نتیجه هدایت حرارتی شیشه ای شود. “

رویکرد متداول در ایجاد جامدات بلوری با هدایت گرمایی پایین ، ایجاد نقایص زیادی در این جامدات است که به ضرر خواص دیگر مانند رسانایی الکتریکی است. بنابراین ، روش طراحی مواد بلوری با هدایت حرارتی کم و بدون آسیب رساندن به خصوصیات الکتریکی و نوری ، برای کاربردهای ترموالکتریک بسیار مطلوب است. تعداد انگشت شماری از جامدات بلوری همان هدایت حرارتی ضعیف را نشان می دهد ، بنابراین تیم بعدی قصد دارد بررسی کند که آیا این پدیده در این مواد نیز مقصر است.


منبع: packge-news.ir

Leave a reply

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>