لعقود، كان الماس بطلاً بلا منازع. وعندما يتعلق الأمر بالتوصيل الحراري في المواد المتجانسة (تلك التي تتميز بخواص موحدة في جميع الاتجاهات)، كان الماس هو المعيار، بل هو ملك التل. حسنًا، لقد انتهى هذا العهد.
اكتشف باحثون في جامعة هيوستن (UH) أن بلورةً اصطناعيةً تُسمى زرنيخيد البورون (BAs) ، لا تُضاهي الماس فحسب، بل قد تتفوق عليه في نقل الحرارة. نُشرت الدراسة العلمية ذات الصلة في مجلة Materials Today .
هذه ليست مجرد معلومة لفيزيائيي المواد، بل هي خبر ذو تداعيات مباشرة على صناعة الإلكترونيات بأكملها. من الهواتف الذكية إلى مراكز البيانات، تُعدّ كفاءة إدارة الحرارة العائق الأساسي الذي يُعيق أداء الأجهزة وعمرها الافتراضي. فالشريحة الأبرد هي شريحة أسرع وأكثر متانة.
زرنيخيد البورون المكعب
النظرية مقابل الممارسة
قام فريق البحث، بقيادة البروفيسور زيفينج رين من قسم الفيزياء بجامعة هاواي، بقياس موصلية حرارية مذهلة في بلورات زرنيخيد البورون: أكثر من 2100 واط لكل متر لكل كلفن (W/mK) في درجة حرارة الغرفة، وهي قيمة أعلى من تلك النموذجية للماس.
ما أجمل هذه القصة؟ النظرية الحديثة تقول إنها مستحيلة.
على الرغم من أن النماذج النظرية المبكرة أشارت إلى أن ثنائيات الفونون قادرة على منافسة الماس، إلا أن الحسابات الأحدث، والتي تضمنت ظاهرة تُسمى "تشتت الفونونات الأربعة" (طريقة "ارتداد" الحرارة حول الشبكة البلورية)، حددت سقفًا: 1360 واط/متر كلفن. وقد تخلى الكثيرون عن الفكرة.
من الورقة المنشورة، يوضح الرسم البياني كيف أن زرنيخيد البورون هو موزع طاقة أفضل
مع ذلك، شكّ فريق رين في أن المشكلة لا تكمن في المادة نفسها، بل في الشوائب الموجودة في العينات التجريبية. لذلك، حسّنوا العملية، فنقوا الزرنيخ الخام، وحسّنوا تقنيات التخليق. والنتيجة؟ بلورات فائقة النقاء حطمت كل التوقعات.
"نحن نثق في قياساتنا؛ بياناتنا صحيحة، وهذا يعني أن النظرية بحاجة إلى التصحيح"، علق رين، مؤكداً أن البيانات التجريبية، مرة أخرى، تجاوزت النماذج الرياضية.
تغيير قواعد اللعبة في مجال الإلكترونيات
إن الإمكانات الحقيقية لزرنيخيد البورون تتجاوز مجرد تحطيم الأرقام القياسية. يُعدّ زرنيخيد البورون مادة نادرة لأنه يجمع بين خاصيتين نادرتين: فهو موصل حراري ممتاز (مثل الماس) وشبه موصل واعد (مثل السيليكون).
السيليكون، أساس جميع الإلكترونيات الحديثة، شبه موصل رديء، بل أسوأ في توصيله الحراري. الماس موصل حراري ممتاز، لكنه شبه موصل رديء (لأنه عازل). زرنيخيد البورون كلاهما.
تتضمن المزايا الرئيسية لهذه المادة الجديدة ما يلي:
- الإنتاج: يعتبر إنتاجه أسهل وأرخص من إنتاج الماس الصناعي.
- الخصائص الكهربائية: لديها فجوة نطاق أوسع وحركة ناقلة أعلى (للإلكترونات والفجوات) من السيليكون.
- التكامل: معامل التمدد الحراري الخاص به مشابه جدًا لمعامل التمدد الحراري للشرائح الحالية، مما يجعله مثاليًا للتكامل مع أجهزة الجيل التالي.
قال رين: "هذه المادة الجديدة رائعة. تجمع بين أفضل خصائص أشباه الموصلات الجيدة والموصلات الحرارية الجيدة، في آنٍ واحد. لم يسبق أن حدث هذا من قبل".
تطبيقاتها واسعة النطاق: أجهزة الذكاء الاصطناعي، وإلكترونيات الطاقة، والحوسبة عالية الأداء – جميعها مجالات محدودة حاليًا بسبب ارتفاع درجة الحرارة. نُشرت الدراسة في مجلة Materials Today .
الأسئلة والأجوبة
1. لماذا يعد هذا الاكتشاف مهمًا جدًا لأجهزتي الإلكترونية؟
الحرارة هي العدو الأول للهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر. فهي تحد من السرعة والمتانة. مادة مثل زرنيخيد البورون، التي تُبدّد الحرارة بشكل أفضل من الماس، وهي أيضًا شبه موصلة، تُتيح رقائق أبرد وأسرع وأطول عمرًا. هذا يعني أداءً أفضل للذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات، وفي نهاية المطاف، لأجهزتنا الشخصية، دون خطر ارتفاع درجة الحرارة.
2. ولكن ألم تقل النظرية أنه من المستحيل تجاوز الماس بهذه الطريقة؟
بالضبط. حددت أحدث النماذج النظرية (والتي تضمنت "تشتت الفونونات الأربعة") حدًا أقصى لزرنيخيد البورون (1360 واط/متر كلفن)، وهو أقل بكثير من الماس. مع ذلك، افترض فريق جامعة هيوستن أن الشوائب في العينات هي المشكلة. باستخدام الزرنيخ النقي، أنتج الباحثون بلورات فائقة النقاء تجاوزت 2100 واط/متر كلفن، مما يُثبت أن البيانات التجريبية (إذا كانت المادة نقية) يمكن أن تتجاوز التوقعات النظرية.
٣. ألم يكن الماس جيدًا أصلًا؟ ما مزايا هذه المادة الجديدة؟
الماس موصل حراري ممتاز، ولكنه شبه موصل رديء (لأنه عازل). يتميز زرنيخيد البورون (BAs) بمزيج نادر من كونه موصلًا حراريًا ممتازًا وشبه موصل واعد (مثل السيليكون، ولكنه قد يكون أفضل). علاوة على ذلك، فإن إنتاجه أسهل وأرخص، ويتكامل بشكل أفضل مع عمليات تصنيع الرقائق مقارنةً بالماس.
المقال وداعا الماس: الآن أصبح زرنيخيد البورون ملك التوصيل الحراري يأتي من Scenari Economici .