تبريد بلا أجزاء متحركة… ولا نقطة ماء! شرائح CHESS النانوية تنقل البرودة عبر الإلكترونات

في إنجاز تكنولوجي واعد قد يُعيد تعريف مستقبل التبريد في الإلكترونيات والأجهزة الذكية، أعلن باحثون من "مختبر الفيزياء التطبيقية" التابع لجامعة جونز هوبكنز بالتعاون مع شركة سامسونغ للإلكترونيات، عن تطوير مادة تبريد حراري جديدة تعتمد على طبقات فائقة التنظيم تُعرف باسم CHESS (البُنى الفوقية المصممة هرميًا).

هذه المادة الجديدة، التي يمكن تصنيعها باستخدام تقنيات تصنيع أشباه الموصلات على نطاق واسع، أثبتت في التجارب أنها أكثر كفاءة بمرتين من المواد الحرارية التقليدية المستخدمة تجارياً اليوم.

تعود أصول هذا المشروع إلى أبحاث طويلة بدأها المختبر بدعم من وكالة DARPA للأبحاث الدفاعية الأمريكية، إذ كان الهدف الأصلي تطوير تقنيات تبريد لأغراض أمنية. إلا أن الفريق وجد لاحقاً أن لهذه التقنية تطبيقات مدنية واسعة النطاق، خصوصاً في الأطراف الاصطناعية، حيث يمكن أن توفّر إحساساً بالبرودة والراحة لمرتديها.

وتعتمد تقنية CHESS على مبدأ التبريد الكهربائي الحراري باستخدام الإلكترونات لنقل الحرارة من نقطة إلى أخرى داخل مواد شبه موصلة دون الحاجة إلى أي أجزاء ميكانيكية أو سوائل تبريد معقّدة.

من أجل تحويل هذه المادة إلى منتج صناعي قابل للتطبيق، استخدم الفريق تقنية الترسيب الكيميائي بالبخار العضوي المعدني (MOCVD)، وهي طريقة شائعة في الصناعة تتميز بانخفاض تكلفتها وإمكانية توسيع نطاق الإنتاج بسهولة. ويُستخدم MOCVD بالفعل في تصنيع مكونات إلكترونية على نطاق واسع، ما يجعلها حلاً مثالياً لإنتاج شرائح CHESS.

قارن الباحثون بين أنظمة تبريد تعتمد على المواد الحرارية التقليدية وتلك التي تستخدم شرائح CHESS، ضمن اختبارات قياسية في وحدات تبريد تجارية حقيقية. وبقيادة فريق التبريد في سامسونغ، أُجري نمذجة حرارية دقيقة وحسابات مفصلة لكمية الحرارة المنقولة ومقاومة النظام، لضمان دقة التقييم في ظروف الاستخدام الفعلية.

النتائج كانت مذهلة:

أكد الدكتور "راما فينكاتاسوبرامانيان"، كبير الباحثين في المشروع والمسؤول عن التقنيات الحرارية في مختبر جونز هوبكنز، أن هذا الاختراق لا يقتصر على التبريد فحسب، بل قد يُستخدم أيضاً في أنظمة التدفئة، والأنظمة الذكية للطاقة، وحتى في توليد الطاقة من فروق درجات الحرارة، كما هو الحال في الأطراف الذكية أو المركبات الفضائية.

من جهته، أشار "جيف مارانشي"، مدير برنامج الاستكشاف في المختبر، إلى أن تقنية CHESS قادرة أيضاً على تحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية، مما يفتح المجال أمام تطبيقات جديدة في حصاد الطاقة من حرارة الأجسام البشرية أو حرارة الأجهزة الإلكترونية، وهو ما كان مستحيلاً تقريباً باستخدام المواد التقليدية bulky.

أعربت "سوزان إيرليش"، مديرة تسويق التكنولوجيا في المختبر، عن تفاؤلها بنقل هذه التكنولوجيا إلى الأسواق، قائلة:

وتخطط المختبرات لتوسيع التعاون مع شركات عالمية لتسويق تقنية CHESS، وتحسين كفاءتها بما يضاهي أنظمة التبريد الميكانيكية، مع دمج الذكاء الاصطناعي لتحسين إدارة الطاقة في التبريد الذكي، لا سيما في المباني والمركبات وأنظمة التبريد المتعددة المناطق.