جامعة طوكيو للعلوم تطور بلورة طباقية منخفضة التوصيل الحراري وعالية الأداء الكهروحراري

أخبار ar.wedoany.com، طور فريق بحثي من جامعة طوكيو للعلوم (Science Tokyo) بلورة طباقية جديدة من نوع TlFe_1.6Se₂، حيث يتم دمج طبقات FeSe فائقة الرقة على المستوى الذري داخل بلورة كتلية، مما يتيح للمادة تحقيق معامل قدرة كهروحراري مرتفع للغاية مع توصيل حراري منخفض للغاية في آن واحد، مما يقدم نهجًا جديدًا لتصميم المواد الكهروحرارية.

تعمل التقنية الكهروحرارية على توليد الكهرباء من فرق درجات الحرارة بين طرفي المادة، وهي مناسبة لاستعادة الحرارة المهدرة في المصانع والسيارات ومحطات توليد الطاقة. لتحقيق أداء عالٍ في توليد الكهرباء، تحتاج المادة إلى الجمع بين كفاءة تحويل كهروحراري عالية وتوصيل حراري منخفض للحفاظ على فرق درجات الحرارة، وهما أمران يصعب تحقيقهما معًا عادةً. نادرًا ما تُستخدم المواد فائقة التوصيل في المجال الكهروحراري بسبب ضعف أدائها الكهروحراري، لكن الأغشية الرقيقة فائقة الرقة من سيلينيد الحديد (FeSe) أظهرت معامل قدرة كهروحراري مرتفعًا بشكل استثنائي. ومع ذلك، يتحقق هذا الأداء فقط في الأغشية فائقة الرقة، كما أن التوصيل الحراري المرتفع لـ FeSe الكتلي يحد من تطبيقاته العملية.

للتغلب على هذه القيود، صمم فريق بحثي بقيادة البروفيسور تاكايوشي كاتاسي من مختبر المواد والهياكل بلورة طباقية تحتوي على الثاليوم (Tl) من نوع TlFe_1.6Se₂. في هذه البلورة، تُدمج طبقات FeSe فائقة الرقة على المستوى الذري مع فراغات حديدية منتظمة بشكل دوري داخل البلورة الكتلية، بهدف الجمع بين معامل القدرة الكهروحراري العالي لطبقات FeSe والتوصيل الحراري المنخفض الناتج عن فراغات الحديد. نُشرت الدراسة عبر الإنترنت في 30 أبريل 2026، وظهرت في العدد 14، المجلد 37 من مجلة "Journal of Materials Chemistry A" بتاريخ 23 يونيو 2026.

أظهرت الدراسة أن TlFe_1.6Se₂ يتمتع بميزتين رئيسيتين. أولاً، يُنتج معامل القدرة الكهروحراري الناتج عن طبقات FeSe الذرية المدمجة أعلى بكثير من ذلك الخاص بـ FeSe الكتلي التقليدي، ويعزى ذلك بشكل رئيسي إلى الزيادة الكبيرة في معامل سيبيك، مما يشير إلى إمكانية دمج الخصائص الإلكترونية لـ FeSe فائق الرقة داخل البلورة الكتلية. ثانيًا، تُظهر المادة توصيلًا حراريًا منخفضًا للغاية، حيث تعمل فراغات الحديد الموجودة طبيعيًا داخل طبقات FeSe على تشويه الروابط الذرية وتشتيت الفونونات الحاملة للحرارة. وأضاف البروفيسور كاتاسي أن إدراج ذرات Tl الثقيلة والبنية الطباقية المعقدة يقللان من سرعة الفونونات ويعززان التشتيت.

عند درجة حرارة تقارب 180 درجة مئوية، تخضع المادة لتحول عكسي من طور الفراغات الحديدية المنتظمة إلى طور غير منتظم، مما يعزز تشتيت الفونونات ويخفض التوصيل الحراري إلى حوالي 0.2 واط/متر·كلفن، وهو ما يعادل أفضل المواد الكهروحرارية المتطورة. في طور الفراغات الحديدية المنتظمة، يتجاوز معامل سيبيك 100 ميكروفولت/كلفن، ويكون معامل القدرة الكهروحراري أعلى بحوالي 5 مرات من الطور غير المنتظم، وتُعزى الدراسة ذلك إلى التغيرات في البنية الإلكترونية المرتبطة بالترتيب المنتظم للفراغات.

يرى الباحثون أن هذه الطريقة، التي تجمع بين معامل القدرة الكهروحراري العالي للمواد فائقة الرقة على المستوى الذري والتوصيل الحراري المنخفض للغاية الناتج عن فراغات الحديد المنتظمة، تفتح اتجاهًا جديدًا لتصميم المواد الكهروحرارية. وأشار البروفيسور كاتاسي إلى أن هذا المفهوم التصميمي يثبت فعالية دمج وظائف المواد منخفضة الأبعاد داخل البلورات الكتلية، مما قد يتغلب على المفاضلة التقليدية بين خصائص النقل الكهربائي والحراري. يمكن أيضًا توسيع هذه الطريقة لتشمل مركبات FeSe المحتوية على البوتاسيوم أو الروبيديوم أو السيزيوم، والتي تحتوي أيضًا على طبقات FeSe وتركيزات قابلة للضبط من فراغات الحديد، مما يجعلها منصة واعدة لتحسين الأداء الكهروحراري.