حل نظری و تجربی یک مساله چالشی چند ده ساله در مورد تراوش گرما و الکتریسیته در مواد مرکّب (کامپوزیت)، توسط پژوهشگران دانشگاه صنعتی شریف و دانشگاه تهران، اکنون نوید نسل جدیدی از مواد پیشرفته سبک‌وزن با رسانندگی الکتریکی و گرمایی بالا را می‌دهد. نتایج این پژوهش در جدیدترین شماره (دسامبر 2022) مجلّه معتبر بررسی‌های فیزیک کاربردی Applied Physics Reviews به چاپ رسیده که به دلیل اهمیت آن، توسط سردبیران مجلّه به عنوان مقاله شاخص Featured Articleبرجسته شده است.

چکیده تصویری از پژوهش محققان ایرانی برگرفته از مقاله

بهبود خواص یک ماده از طریق افزودن مقادیر اندکی از یک یا چند ماده دیگر به آن و ساخت یک ماده مرکّب (کامپوزیت)، قدمتی به اندازه تاریخ بشر دارد. به عنوان مثال، می‌توان از کاهگل نام برد که در آن استحکام مکانیکی خاک رس از طریق افزودن کاه به خاک تقویت می‌شود یا فولاد ضد زنگ که در آن خواص فیزیکی و شیمیایی آهن از طریق افزودنی‌هایی نظیر کربن بهبود می‌یابد. میزان بهبود خواص ماده مرکّب معمولاً به صورت مستقیم با مقدار ماده افزودنی متناسب است، امّا در این میان، رسانندگی الکتریکی مواد مرکّب ویژگی بسیار جالب و منحصر به فردی از خود نشان می‌دهد که به آن اصطلاحاً تراوش percolation می‌گویند. اگر به یک ماده ذاتاً عایق الکتریکی (نظیر اغلب پلیمرها و پلاستیک‌ها) مقادیری از یک ماده رسانای الکتریکی (مثلاً ذرات فلزی) اضافه شود، تا یک آستانه مشخصی از مقدار ماده رسانا (آستانه تراوش الکتریکی)، ماده مرکّب همچنان نارسانا باقی می‌ماند. اما با افزایش مقدار بارگذاری ماده رسانا و عبور از آستانه تراوش، ماده مرکّب به طور ناگهانی رسانا می‌شود. برای توصیف این پدیده، مدل فیزیکی ساده و در عین حال قدرتمند و جهانشمولی به نام مدل تراوش وجود دارد که از مقیاس‌های زیراتمی تا ابعاد کیهانی صادق بوده و قادر به توصیف بسیاری از پدیده‌های طبیعی دیگر نظیر انتشار بیماری یا پخش شایعه در جامعه تا آتش‌سوزی جنگل‌ها و گسترش تومورهای سرطانی در بدن نیز هست.

علیرغم مشابهت‌های فراوان میان فیزیک رسانش الکتریسیته و رسانش گرما در مواد، وجود یا عدم وجود آستانه تراوش گرمایی در مواد مرکّب چندین دهه است که به موضوع بحث داغ میان پژوهشگران تبدیل شده است. اغلب مطالعات تجربی انجام شده در این زمینه به این نتیجه رسیده‌اند که رسانش گرما در یک ماده‌ی که به ذات رسانای ضعیف گرما است، هیچگاه با افزودن یک ماده که رسانای خوب گرما باشد، بهبود نمی‌یابد. مطالعات اندکی نیز که در آن‌ها بهبود رسانش گرما در مواد مرکّب گزارش شده است با مدل ساده تراوش قابل توصیف نیستند و این افزایش رسانندگی گرمایی را در مقادیر بارگذاری بسیار زیاد و غیرکاربردی ( بیش از 50 درصد وزنی ماده افزودنی) بدست آورده‌اند. همچنین برخی مطالعات نظری اساساً تراوش گرمایی در مواد مرکّب را نامحتمل دانسته‌اند.

حال در یک پژوهش پیشگامانه، گروهی از پژوهشگران ایرانی، با تلاش نوید ساریخانی (دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف) و زهره عربشاهی (دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف) به سرپرستی آقایان دکتر علیرضا مشفق (دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی شریف) و دکتر عبّاس‌علی صابری (دانشکده فیزیک، دانشگاه تهران)، موفق به طراحی، فرمولبندی و ساخت مواد مرکّب پیشرفته‌ای شده‌اند که در آن‌ها آستانه تراوش الکتریکی و گرمایی به طور همزمان و در بارگذاری‌های بسیار کم از ماده رسانا (کمتر از 2 درصد وزنی) مشاهده می‌شود. برای ساخت این مواد مرکّب از افزونه‌های نانوساختار (نانولوله‌های کربنی چنددیواره، گرافن و نیترید بور) در بستر پلیمری (پلی‌پروپیلن) استفاده شده است. این گروه پژوهشی همچنین یک نظریه واحد جهانشمول، در چارچوب یک مدل تراوش تعمیم‌یافته، برای توصیف مشاهدات تجربی خود توسعه داده‌اند. مطابق این نظریه جدید، تراوش گرما در مواد مرکّب در کلاس جهانی مسائل تراوش با دو نمای بحرانی قرار می‌گیرد و از این نظر مشابه رسانش الکتریکی در الکترولیت‌ها یا شبکه‌ای از مقاومت‌های الکتریکی و خازن‌ها است.

چشم‌انداز وسیع‌تر این پژوهش، توسعه نسل جدیدی از مواد مرکّب سبک با رسانندگی الکتریکی و گرمایی قابل تنظیم و بالاست که می‌تواند کاربردهای متنوعی در صنایع هوایی، صنایع خودروسازی، پوشش‌های محافظ در مقابل جذب امواج الکترومغناطیس، بسته‌بندی قطعات الکترونیک، خمیرهای گرمایی و مواد ترموالکتریک داشته باشد.

نتایج این پژوهش در جلد 9، شماره 4 (دسامبر 2022) مجلّه معتبر بررسی‌های فیزیک کاربردی Applied Physics Reviews از انتشارات انستیتو فیزیک آمریکا AIP به چاپ رسیده است.

لینک مقاله: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0089445