סגסוגות ננו-חלקיקים למיקוד חום

חוקר מ-MIT פיתח שיטה המספקת דרך חדשה לשליטה על חום, בדומה לדרך שבה ניתן לשלוט בגלי האור ע"י עדשות ומראות

חוקר ממכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה פיתח שיטה המספקת דרך חדשה לשליטה על חום, בדומה לדרך שבה ניתן לשלוט בגלי האור ע"י עדשות ומראות.

הגישה החדשנית מתבססת על חומרים מהונדסים המורכבים מגבישי סגסוגת מוליכה-למחצה במבנים ננומטריים. חום הוא הרטט של חומר – ובאופן מעשי, הרטט של הסריג האטומי של החומר. לרטט זה ניתן להתייחס גם כאל זרם של פונונים (phonons) – סוג של "חלקיק מדומה" המקביל לחלקיקי הפוטונים הנושאים את גלי האור. הגישה החדשנית דומה למערכת שפותחה לאחרונה של גבישים פוטוניים המסוגלים לשלוט בתעבורה של האור, וגבישים פונוניים המסוגלים לעשות כן עבור גלי קול.

את המרווחים שבין פערים זעירים הנמצאים בתוך חומרים אלו מכוונים כך שיתאימו לאורך הגל של הפונונים של החום, מסביר Martin Maldovan, חוקר במחלקה למדעי החומרים וההנדסה במכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה והכותב הראשי של המאמר המתאר את הממצאים ואשר פורסם בכתב העת המדעי Physical Review Letters.

"זוהי דרך חדשה לחלוטין לשליטה בחום", מסביר החוקר. חום שונה מקול, מסביר החוקר, בתדירות הרטט שלו: גלי קול מורכבים מתדירויות נמוכות (עד לטווח של קילוהרץ, או אלפי תנועות רטט לשנייה), בעוד שחום מורכב מתדירויות גבוהות יותר (בטווח של טרההרץ, או טריליוני תנועות רטט לשנייה). על מנת להתאים את השיטות שכבר פותחו לשליטה בגלי קול עבור החום, השלב הראשון של החוקר היה להפחית את התדירות של הפונונים של החום, תוך קירובם לטווח של גלי הקול. החוקר מכנה את תדירויות החום הללו בשם "חום על-קולי" ("hypersonic heat").

"פונונים של קול מסוגלים לעבור קילומטרים", מסביר החוקר, וזאת הסיבה בגינה ניתן לשמוע רעשים ממקורות רחוקים. "אולם, פונונים של חום נעים למרחקים של ננומטרים בלבד (מיליארדית המטר). זאת הסיבה בגינה לא ניתן לשמוע חום אפילו עם אוזניים הרגישות לתדירויות של טרההרץ".

חום גם מפוזר בטווח רחב של תדירויות, אומר החוקר, בעוד שגלי הקול כוללים תדירות יחידה. ולכן, על מנת לטפל בכך, אומר החוקר, "השלב הראשון שעשינו היה להפחית את מספר התדירויות של החום, ולהפחית את התדירויות עצמן", תוך קרובן של תדירויות אלו לאזור הגבול שבין תדירויות הקול לתדירויות החום המקוריות. הפחתת תדירויות זו בוצעה באמצעות סגסוגות סיליקון הכוללות בתוכן ננו-חלקיקים של גרמניום (מוליך למחצה) בגדלים מוגדרים המותאמים לתדירויות המופחתות.

הפחתת טווח התדירויות בוצעה גם ע"י הכנת סדרות של שכבות דקיקות של החומר, כך שפיזור הפונונים יתרחש בנקודות הגבול. שני פיתוחים אלו מובילים לתחימת הפונונים של החום בתוך "חלון" תדירויות צר יחסית. באמצעות יישום שיטות אלו, יותר מארבעים אחוזים מזרם החום הכולל מרוכז לתוך טווח על-קולי של 300-100 גיגההרץ, ורוב הפונונים מתקבלים בצורת אלומה צרה, וזאת במקום התפזרות לכל כיוון.

כתוצאה מכך, אלומה זו של פונונים בעלי טווח תדירויות צר ניתנת לשליטה ע"י גבישים פונוניים הדומים לאלו שפותחו עבור השליטה בפונונים של קול. מאחר וגבישים אלו משמשים כעת לשליטה בחום במקום בקול, החוקר מתייחס אליהם כאל "תרמו-גבישים" – משפחה חדשה של חומרים. לתרמו גבישים אלו ייתכן טווח רחב של יישומים, מציע החוקר, לרבות התקנים תרמו-חשמליים משופרים, הממירים פערי טמפרטורה לחשמל. התקנים אלו מעבירים חשמל באופן חופשי תוך בקרה קפדנית על זרם החום – משימות שהתרמו-גבישים מצליחים בהן באופן משכנע ביותר, מוסיף החוקר.

רוב החומרים הרגילים מאפשרים לחום לנוע לכל הכיוונים, בדומה לאדוות המתפשטות החוצה מנקודה מרכזית אחת של שלולית מים אליה הושלכה אבן; בניגוד לכך, תרמו-גבישים גורמים לכך שההתפשטות תהיה לכיוון מוגדר אחד ויחיד. ניתן להשתמש בגבישים אלו גם עבור הכנת דיודות תרמיות: חומרים שבהם החום יכול לנוע בכיוון אחד, אולם לא בכיוון הנגדי. זרימת חום חד-כיוונית כזו תוכל להיות שימושית מאוד בבניינים חסכוניים באנרגיה הנמצאים באזורי אקלים חמים וקרים.

צורות אחרות של החומרים החדשים תוכלנה לשמש למיקוד חום – בדומה לאופן שבו אנו ממקדים אור בעזרת עדשה – וזאת על מנת לרכז אותו לשטח קטן. אפשרות מסקרנת נוספת הינה הסוואה תרמית, מסביר החוקר: חומרים המונעים גילוי של חום, בדומה לחומרים שפותחו לאחרונה ואשר יכולים להסוות עצמים מגילויים ע"י אור נראה או קרינת גלי מיקרו. החוקרים מדגישים כי עדיין נותרה עבודת מחקר כבירה באשר לתיאוריה בבסיס הגישה החדשה והגורמים המשפיעים עליה, כגון התדירויות והטמפרטורות של החומרים.

הידיעה על המחקר