حل مساله چالشی چند ده ساله به وسیله پژوهشگران ایرانی - وبلاگ مویک

به گزارش وبلاگ مویک به نقل از دانشگاه تهران، دکتر عباس علی صابری عضو هیأت علمی دانشکدگان علوم دانشگاه تهران در این باره گفت: برای ساخت این مواد مرکّب از افزونه های نانوساختار (نانولوله های کربنی چنددیواره، گرافن و بورون نایتراید) در زمینه پلیمری (پلی پروپیلن) استفاده شده است.

صابری با تاکید بر اینکه این تحقیق نتیجه کوشش یک گروه پژوهشی است، اضافه کرد: این گروه بعلاوه یک نظریه واحد جهانشمول، در چارچوب یک مدل تراوش تعمیم یافته، برای توصیف مشاهدات تجربی خود توسعه داده اند. مطابق این نظریه تازه، تراوش گرما در مواد مرکّب در کلاس جهانی مسائل تراوش با دو توان بحرانی قرار می گیرد و از این نظر مشابه رسانش الکتریکی در الکترولیت ها یا شبکه ای از مقاومت های الکتریکی و خازن ها است.

عضو هیأت علمی دانشکده فیزیک دانشگاه تهران تاکید نمود: منظره وسیع تر این پژوهش، توسعه نسل تازهی از مواد مرکّب سبک با رسانندگی الکتریکی و گرمایی قابل تنظیم و بالاست که می تواند کاربردهای متنوعی در صنایع هوایی، صنایع خودروسازی، محافظت از امواج الکترومغناطیس، بسته بندی قطعات الکترونیک، خمیرهای گرمایی و مواد ترموالکتریک داشته باشد.

صابری گفت: حل نظری و تجربی این مساله چالشی چند ده ساله در خصوص تراوش گرما و الکتریسیته در مواد مرکّب (کامپوزیت)، به وسیله پژوهشگران دانشگاه تهران و دانشگاه صنعتی شریف، اکنون نوید نسل تازهی از مواد پیشرفته سبک وزن با رسانندگی الکتریکی و گرمایی بالا را می دهد.

بهبود خواص یک ماده به وسیله اضافه کردن مقادیر اندکی از یک یا چند ماده دیگر به آن و ساخت یک ماده مرکّب (کامپوزیت)، قدمتی به اندازه تاریخ بشر دارد. به عنوان مثال می توان از کاهگل یا فولاد ضدزنگ نام برد. کاهگل که در آن استحکام مکانیکی خاک رس به وسیله اضافه کردن کاه به خاک تقویت می گردد یا فولاد ضد زنگ که در آن خواص فیزیکی و شیمیایی آهن به وسیله اضافه کردنی هایی نظیر کربن بهبود می یابد.

اندازه بهبود خواص ماده مرکّب معمولاً به صورت مستقیم با اندازه ماده اضافه کردنی متناسب است، امّا در این میان، رسانندگی الکتریکی مواد مرکّب ویژگی بسیار جالب و منحصر به فردی از خود نشان می دهد که به آن اصطلاحاً تراوش (percolation) می گویند.

اگر به یک ماده ذاتاً عایق الکتریکی (نظیر اغلب پلیمرها و پلاستیک ها) مقادیری از یک ماده رسانای الکتریکی (مثلاً ذرات فلزی) اضافه گردد، تا یک آستانه مشخصی از اندازه ماده رسانا (آستانه تراوش الکتریکی)، ماده مرکّب همچنان نارسانا باقی می ماند.

اما با افزایش اندازه بارگذاری ماده رسانا و عبور از آستانه تراوش، ماده مرکّب به طور ناگهانی رسانا می گردد. برای توصیف این پدیده، مدل فیزیکی ساده و در عین حال قدرتمند و جهانشمولی به نام مدل تراوش وجود دارد که از مقیاس های زیراتمی تا ابعاد کیهانی صادق بوده و قادر به توصیف بسیاری از پدیده های طبیعی دیگر نظیر انتشار بیماری یا پخش شایعه در جامعه تا آتش سوزی جنگل ها و توسعه تومورهای سرطانی در بدن نیز هست.

به رغم مشابهت های فراوان میان فیزیک رسانش الکتریسیته و گرما در مواد، وجود یا عدم وجود آستانه تراوش گرمایی در مواد مرکّب چندین دهه است که به موضوع بحث داغ میان پژوهشگران تبدیل شده است.

اغلب مطالعات تجربی قبلی انجام شده در این زمینه به این نتیجه رسیده اند که رسانش گرما در یک ماده ذاتاً رسانای ضعیف گرما، هیچگاه با اضافه کردن یک ماده که رسانای خوب گرما باشد، بهبود نمی یابد.

مطالعات اندکی نیز که در آن ها بهبود رسانش گرما در مواد مرکّب گزارش شده است با مدل ساده تراوش قابل توصیف نیستند و این افزایش رسانندگی گرمایی را در مقادیر بارگذاری بسیار زیاد و غیرکاربردی (بیش از 50 درصد وزنی ماده اضافه کردنی) به دست آورده اند. بعلاوه بعضی مطالعات نظری اساساً تراوش گرمایی در مواد مرکّب را نامحتمل دانسته اند.

نتایج این پژوهش در تازهترین شماره (جلد 9، شماره 4 دسامبر 2022) مجلّه معتبر آنالیز های فیزیک کاربردی (AppliedPhysics Reviews) با ضریب تأثیر 19.527 (ضریب تأثیر پنج ساله 20.56 به چاپ رسیده است که به علت اهمیت مقاله به عنوان Featured Article به وسیله ادیتورهای مجله هایلایت شده است.