[ad_1]

تصویر

تصویر: این میکروسکوپ الکترونی روبشی با وضوح بالا (SEM) از بلورهای BaTiS3 با تصاویری نشان داده شده است که جهت گیری اتمهای جداگانه در بلور را نشان می دهد. با وجود کمال اتمی کریستال ، … یک دیدگاه بیشتر

اعتبار: Caltech / USC / ORNL

جامد بلوری BaTiS3 (سولفید تیتانیوم باریم) در انتقال گرما وحشتناک است و معلوم می شود که گسل اتم تیتانیوم سرسخت 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 تبدیل می شود و بالعکس ، مطالعه می کنند.

آستین مینیچ ، استاد مهندسی مکانیک و فیزیک کاربردی در Caltech و یکی از نویسندگان کتاب 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 تحقیق در مورد خصوصیات نوری آنها 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 الکترونهای 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 قاعده به حالت برانگیخته منتقل می شود و سپس به سرعت 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 برخی از آنها از طریق مواد راه می یابند.

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 اتم های تیتانیوم ، کار کارآگاهی واقعی لازم بود. 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 باقی بمانند “، مایکل مانلی ، محقق ارشد ORNL و یکی از نویسندگان کتاب ارتباطات طبیعت کاغذ. این زمانی بود که رافائل هرمان ، محقق ORNL ، محاسبات کوانتومی را برای چاه دو برابر پیشنهاد کرد. “البته ، اتم ها می توانند تونل بزنند ، این کاملاً شناخته شده است ، اما ما انتظار نداشتیم که آن را با چنین فرکانس بالا با چنین اتم بزرگی در یک کریستال ببینیم. اما مکانیک کوانتوم واضح است: اگر سد بین چاه ها به اندازه کافی کوچک باشد ، چنین تونل سازی با فرکانس بالا واقعاً بسیار زیاد است. این امکان وجود دارد و باید منجر به پراکندگی شدید فونون ها و در نتیجه رسانایی گرمایی شیشه ای شود. “

روش متداول در ایجاد جامدات بلوری با هدایت حرارتی پایین ، ایجاد نقص های 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.

###

ارتباطات طبیعت این مقاله تحت عنوان “تونل زنی اتمی با فرکانس بالا هدایت حرارتی فوق العاده کم و شیشه مانند را در کریستالهای تک کلکوژنید می دهد.” از جمله نویسندگان مشترک می توان به بو سون ، جائون مون و نینا شولومبا از کلتک اشاره کرد. شانویان نیو ، بویانگ ژائو ، جو آنا میلام-گوئررو ، رالف هایگز ، برنت سی ملوت و متیو مکلنبورگ از USC. رافائل پی. هرمان ، کاترین پیج و باری وین از آزمایشگاه ملی اوک ریج ؛ آرشدیپ S. تیند و روحان میشرا از دانشگاه واشنگتن در سنت لوئیس. Krishnamurti Mahalingham و Brandon M. Howe از آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی در پایگاه نیروی هوایی رایت-پترسون. یونگ دال جوهو از م Instituteسسه علوم و فناوری گوانجو در کره جنوبی. و احمد آلاتاس از آزمایشگاه ملی آرگون در ایلینوی. این مطالعه توسط آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ، وزارت انرژی ایالات متحده ، سرویس تحقیقات دریایی ، بنیاد ملی علوم ، سرویس تحقیقات ارتش ، سرویس تحقیقات نیروی هوایی و بنیاد پیوند پشتیبانی شد.

سلب مسئولیت: AAAS و EurekAlert! هیچ مسئولیتی در قبال صحت گزارشهای خبری منتشر شده در EurekAlert ندارند! از طریق موسسات کمک کننده یا استفاده از هرگونه اطلاعات از طریق سیستم EurekAlert.

[ad_2]

منبع: kolah-news.ir