برای اولین بار:کنترل هدایت گرما در جامدات

۲۳ دی- آلکس زتل و همکارانش در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، برای
اولین بار نشان داده‌اند که یکسوسازی و کنترل جهت جریان گرما از طریق تولید ابزاری
به کمک نانولوله‌‌ها، امکان‌پذیر می‌باشد.
دانشمندان پس از اینکه موفق به کنترل جریان الکتریکی شدند، توانستند دیودها و
ترانزیستورها را بسازند. در این قطعات الکترون‌ها در جهت‌های خاص حرکت می‌کنند و
رایانه‌ها و تلفن‌‌ها و. . . از این قطعات ساخته شده‌اند. این در حالی است که کنترل
مشابهی در جریان گرما وجود ندارد و این مسئله همچنان به صورت یک تئوری و آرزو باقی
مانده است.
گرما را می‌توان به صورت بسته‌های کوچکی از نوسانات با نام فونون (مشابه فوتون در
نور) در نظر گرفت. یکسوساز گرمایی می‌تواند فونون‌ها را در یک جهت خاص هدایت کند.
اما یکسوسازی گرما، نسبت به یکسوسازی جریان الکتریکی بسیار دشوارتر است زیرا انتقال
گرما در مواد بیشتر از طریق دیفیوژن (که تصادفی است) انجام می‌گیرد. به گفته یکی از
این محققان نوسانات را نمی‌توان باردار کرد و به همین دلیل نمی‌توان آنها را در جهت
خاصی هدایت کرد. یکسوسازهای گرمایی نانولوله‌ای نیز اولین کار عملی انجام شده در
این زمینه هستند.
پیش از این چهار سال قبل Peyrard فیزیکدان اروپایی و همکارانش اولین طرح را برای
یکسوسازی گرما ارائه دادند. اما اساس این طرح، هدایت گرمایی مواد غیرمشابه در روش‌های
متنوع و در دماهای مختلف، بود. آنها ساخت یک یکسوساز گرمایی با ترکیب این قبیل مواد،
را پیشنهاد کردند اما هرگز موفق به انجام آزمایشات فیزیکی برای اثبات عقاید خود،
نشدند.
تئورسین‌های دیگر نیز استفاده از یک سیستم تک بعدی که در یک سمت جرم بیشتری نسبت به
طرف دیگر دارد، را برای این کار پیشنهاد کرده‌اند. زیرا احتمالاً گرما از قسمتی که
دارای جرم بیشتر است به سمت دیگر انتقال پیدا می‌کند.
آلکس زتل تصمیم دارد تا از این تئوری در تولید یکسوسازهای جریان گرمایی به کمک
نانولوله‌‌ها، استفاده کند. زیرا نانولوله‌ها با عرض بسیار باریک خود تقریباً یک
بعدی به نظر می‌رسند و همچنین آنها رسانای گرمایی بسیار خوبی هستند. این محققان
نانولوله‌های کربنی و نانولوله‌های نیترید بور را با عرض بین ۱۰ تا ۴۰ نانومتر
تولید کردند و سپس نانولوله‌های منفرد را درون محفظه‌ای برای تست قرار دادند؛ در
این محفظه به هر یک از دو انتهای لوله‌‌ها الکترودهای سیلیکونی و پلاتینی متصل
کردند که یا به عنوان سنسور یا گرم‌کننده عمل می‌کنند. بعد از این مرحله ترکیبی از
پلاتین به طور ناهماهنگ (ناهموار) در طول نانولوله رسوب داده ‌شد تا جرم یک انتهای
آن نسبت به سمت دیگر بیشتر شود. در نهایت مقدار مشخصی از انرژی از طریق قسمت گرم‌کننده
فرستاده شد و تغییرات دما در هر دو الکترود اندازه‌گیری ‌شد تا چگونگی عبور گرما
مورد بررسی قرار گیرد.
آنها پس از وارونه کردن مسیر به این نتیجه رسیدند که درصد فونون‌هایی که از قسمت با
جرم بیشتر به سمت دیگر با جرم کمتر حرکت کرده‌اند، حدود ۷ درصد بیشتر از فونون‌هایی
است که در جهت عکس حرکت کرده‌اند. اما باید در نظر داشت این راندمان بسیار کم برای
استفاده در موارد عملی کافی نیست اما نکته حائز اهمیت در اینجا یکسوسازی جریان گرما
در جامدات است، که به اثبات رسید.
وجود ابزاری که بتواند جهت جریان گرما را کنترل کند، می‌تواند کاربردهای با ارزشی
در میکروالکترونیک و ساختارهای با راندمان انرژی بالا داشته باشد. در صورت ساخت این
یکسوسازها می‌توان از آنها در کنترل گرم‌شدن زیاد قطعات میکروالکترونیکی و ساخت
ساختارهای با راندمان انرژی بالا استفاده نمود. حتی می‌توان در این مسیر، راه‌های
جدیدی برای محاسبات به کمک گرما (جریان‌های گرمایی) ارائه داد.
این محققان معتقدند: این کار هنوز در مرحله اولیه خود قرار دارد؛ همانند زمانی که
مهندسان اولین دیود الکتریکی را ساختند که راندمان بسیار پایینی داشت، و رسیدن به
موفقیت کامل به زمان زیادی نیاز دارد. قدم بعدی جستجو در میان نانولوله‌ها با شکل‌های
هندسی مختلف است (همانند نانولوله‌های پرشده از ترکیبات پلاتین) تا شاید بتوان
یکسوسازی را از طریق تغییر مواد و یا شکل نانولوله‌ها بهبود داد.
این محققان نتایج کار خود را در مجله Science منتشر کرده‌اند.