تمكن الدكتور علي رضا مشفق ، الأستاذ في جامعة شريف للتكنولوجيا ، بالتعاون مع مجموعة من الباحثين من جامعتي شريف وطهران ، من حل مشكلة صعبة استمرت لسنوات عديدة ، ونشرها في مقال في المجلة المرموقة “Applied Physics Reviews”.
من خلال الحل النظري والتجريبي للمشكلة حول ترشيح الحرارة والكهرباء في المواد المركبة ، تم انتاج مواد مركبة متقدمة خفيفة الوزن ذات الموصلية الكهربائية والحرارية العالية.
ونشرت نتائج هذا البحث في العدد الأخير (ديسمبر 2022) من المجلة المذكورة، و سلط الضوء عليها كمقال مميز من قبل محرري المجلة لأهميتها.
تنص المقالة على: تحسين خصائص مادة عن طريق إضافة كميات صغيرة من مادة أو أكثر إليها لتتكون مادة مركبة قديمة قدم التاريخ البشري. على سبيل المثال ، يمكننا أن نذكر القش ، حيث يتم تقوية القوة الميكانيكية للطين عن طريق إضافة القش إلى التربة ، أو الفولاذ المقاوم للصدأ ، حيث يتم تحسين الخصائص الفيزيائية والكيميائية للحديد من خلال المواد المضافة مثل الكربون.
لوصف هذه الظاهرة ، هناك نموذج فيزيائي بسيط ولكنه عالمي يسمى نموذج التسرب ، وهو صحيح من المقاييس دون الذرية إلى الأبعاد الكونية وهو قادر على وصف العديد من الظواهر الطبيعية الأخرى مثل انتشار المرض أو انتشار الشائعات في المجتمع إلى حرائق الغابات .. وانتشار الأورام السرطانية في الجسم أيضا.
على الرغم من أوجه التشابه العديدة بين فيزياء التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري في المواد ، فقد أصبح وجود أو عدم وجود عتبة انتشار حراري في المواد المركبة موضوع نقاش ساخن بين الباحثين لعدة عقود. خلصت معظم الدراسات التجريبية في هذا المجال إلى أن التوصيل الحراري في مادة تعتبر بطبيعتها موصلاً رديئًا للحرارة أبدًا ، يتحسن بإضافة مادة موصلة جيدة للحرارة.
لا يمكن وصف الدراسات القليلة عن تحسين التوصيل الحراري في المواد المركبة بالنموذج البسيط للتسرب وقد حصلت على هذه الزيادة في التوصيل الحراري بكميات تحميل عالية جدًا وغير مفيدة (أكثر من 50٪ من وزن المادة المضافة). أيضًا ، اعتبرت بعض الدراسات النظرية أساسًا أن انتشار الحرارة في المواد المركبة أمر مستحيل.
الآن ، في بحث رائد ، مجموعة من باحثي جامعة شريف الصناعية ، بجهود نويد ساريخاني (كلية الهندسة الميكانيكية) و زهرة عربشاهي (كلية الفيزياء) تحت إشراف الدكتور علي رضا مشفق (كلية الفيزياء) و بالتعاون مع الدكتور عباس علي صابري (كلية الفيزياء ، جامعة طهران) ، نجحت في تصنيع المواد المركبة المتقدمة التي يتم فيها ملاحظة عتبات الترشيح الكهربائي والحراري في وقت واحد وبحمولات منخفضة للغاية من المواد الموصلة (أقل 2٪ بالوزن).
لصنع هذه المواد المركبة ، تم استخدام امتدادات البنية النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية متعددة الجدران والجرافين ونتريد البوريوم) في ركيزة بوليمر (بولي بروبيلين). طورت هذه المجموعة البحثية أيضًا نظرية عالمية موحدة ، في إطار نموذج الترشيح المعمم ، لوصف ملاحظاتهم التجريبية. وفقًا لهذه النظرية الجديدة ، يتم وضع انتشار الحرارة في المواد المركبة في الدرجة العالمية من مشاكل الانتشار ذات وجهين حرجين ، وبهذا المعنى ، فهو مشابه للتوصيل الكهربائي في الإلكتروليت أو شبكة من المقاومات الكهربائية والمكثفات.
