محول رباعي الاتجاهات يعد بإمكانية أكبر في استخدام المواد ذات الطبقات
قام فريق علمي من مختبر “أوك ردج Oak Ridge” الوطني التابع لوزارة الطاقة، وجامعة “فاندربيلت Vanderbilt University” برصد حالة من حالات المادة التي تم التنبؤ بوجودها ولكنها لم تُرصد من قبل. تقدُّم يمهد الطريق إلى التلاعب بالتوصيل الكهربائي في مواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين.
توصل الفريق إلى الاكتشاف باستخدام بلورة على شكل طبقة رقيقة تحتوي على النحاس، لها مقدار استقطاب كهربي ثابت يمكن عكسه بتطبيق مجال كهربي عليها.
توضح الملاحظة الخصائص التي يمكن تسخيرها لتوفير وظائف جديدة للمواد والأدوات، تعتمد هذه الخصائص على مواقع ذرات النحاس في البللورة، يمكن للذرات النحاسية إما أن تتواجد داخل طبقات البللورة أو تصبح مشرّدة في الفجوات بين الطبقات التي تُسمى “Van Der Waals gaps”، حيث تصنع روابط أيونية ضعيفة مع الطبقات المجاورة وتشكل الحالة الجديدة للمادة.
قام العلماء بقياس الاستجابات الكهروميكانيكية عبر بللورات كهربية معدنية ذات طبقات من ثنائي ثيوفوسفات إنديوم النحاس (CIPS)، هذه المادة هي كهربية إجهادية، بمعنى أن سطحها يصبح مشحونًا عندما يكون ممدودًا أو مضغوطًا. وعلى العكس من ذلك، يؤدي تطبيق حقل كهربائي إلى تمدد المادة الكهربية الإجهادية أو انكماشها، كانت الخصائص الكهربائية الناتجة عن تقنية (CIPS) (CuInP2S6) هي مفتاح دراستها تجريبيًا، وكذلك نظريًا للكشف عن الظواهر الجديدة.
وقد قامت بإجراء البحث النظري مجموعة “Sokrates Pantelides” -وهي مكونة من أستاذة بجامعة “فاندربيلت Vanderbilt”، وعالِم زائر بارز في مختبر “أوك ردج الوطني ORNL”- باستخدام حسابات الكم، نقل أعضاء المجموعة الذرة المسئولة عن الإزاحة القطبية -النحاس- خلال بنية البللورة وحساب الطاقة الكامنة.
وجد فريق البحث أن الحد الأدنى من الطاقة الإضافية ينشأ من مرحلة هيكلية ثانية مع ضعف سعة الاستقطاب ووضع مستقر لذرة النحاس في “Van Der Waals gaps”، وعلاوةً على ذلك، فإن الثوابت الكهربائية الإجهادية المتوقعة نظريًا للحالتين القطبيتين في CIPS مطابقة للتي تم قياسها تجريبيًا.
وقال “بالكي Balke” القائد التجريبي للفريق: “هذه هي الملاحظة الأولى التي تم الإبلاغ عنها عن الخواص الكهربائية المعدنية والكهربائية الإجهادية لمرحلة الاستقطاب العالي.”
وأضافت “سابين نيماير Sabine Neumayer” عضوة في فريق “ORNL”: “إن أربعة أضعاف التدفق يفتح الباب أمام الكثير من الفرص المثيرة، خاصةً لأننا نستطيع التحكم في التحولات بين حالات الاستقطاب الأربع المختلفة باستخدام درجة الحرارة والضغط والحقول الكهربائية، عادةً يُعتقد أن مواد الاستقطاب الكهربائية هي مفاتيح تبديل بين حالتين، لكن في CIPS، هناك أربع حالات يمكن الوصول إليها.”
وقال “بيتر ماكسيموفيتش Peter Maksymovych” مؤلف آخر: “CIPS هي واحدة من أول المواد الكهربائية المعدنية المتوافقة مع كل المواد ثنائية الأبعاد تقريبًا بسبب هيكلها “Van Der Waals” الخاص بها، في أي وقت لديك قُوى Van Der Waals gaps فهذا يعني أنه يمكنك تجميع المواد ثنائية الأبعاد وفصلها دون التسبب في أضرار هيكلية كبيرة.”
يتسابق العلماء في جميع أنحاء العالم لإنشاء سطح بيني نشط للمواد ثنائية الأبعاد مثل الجرافين، وهو مادة وحيدة الذرة سميكة مع قدرة عالية جدًا على حركة الإلكترون.
وقد قام الباحثون بإجراء تجارب في “مركز مختبر أوك ردج الوطني لعلوم المواد النانوية ORNL’s Center for Nanophase Materials Sciences”، حيث أتاحت الأجهزة والخبرات غير المسبوقة إجراء قياسات دقيقة وتحليل وتفسير واضحة للبيانات المعقدة، اعتمدت التجارب على مجهر قوة بيزوريسبونس (PFM) لتصوير ومراقبة المجالات الكهروضوئية على نطاقات من مليون إلى بلايين من الأمتار. يُطبّق مسبار موصل حاد مجال كهربائي على سطح العينة، ويتم استنتاج التشوه الكهروميكانيكي الناجم عن إزاحة المسبار.
وفي الدراسات المستقبلية، سيقوم الباحثون بدراسة الخصائص الديناميكية، ومراقبة نسب الاستقطاب العالي والمنخفض في المواد المتوترة “المضغوطة”، وتحريك ذرات الحالة الجديدة واستقرارها وتضمينها من أجل التحول، واستقصاء السلوك المتوقع للمواد الخاضعة للضغط، ودراسة كيف يُعاد توجيه المجالات الكهربائية المعدنية بعد تطبيق مجال كهربائي.
كتابة: سمية عبدالقوي
مراجعة: احمد عبدالستار
تحرير: هاجر هشام
تصميم: عاصم عبدالمجيد
