شیشه وقتی به عرض ۱ اتم کشیده شود کارهای شگفت انگیزی انجام می دهد. این کشف می تواند به کوچک شدن لوازم الکترونیکی کمک کند

توسط اسکات فرانتس، دانشگاه کلرادو در بولدر

ویرایش شده توسط لیزا لاک، بررسی توسط رابرت ایگان

این مقاله با توجه به روند و سیاست‌های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

ساعت‌های هوشمندی که امروزه روی میلیون‌ها مچ دست بسته می‌شوند، قدرت پردازشی بسیار بیشتری نسبت به رایانه‌هایی دارند که به فضانوردان آپولو در فرود روی ماه کمک کردند. اما تلاش علمی برای کوچک‌تر شدن هزینه دارد: یعنی گرما، الکتریسیته و انرژی اکنون فضای کمتری برای عبور از دستگاه‌ها دارند.

Longji Cui، استادیار دپارتمان مهندسی مکانیک Paul M. Rady در CU Boulder، گفت: ما در نهایت به گلوگاهی برای طراحی نسل بعدی دستگاه های الکترونیکی و فوتونیک خواهیم رسید. مدیریت حرارتی در داخل دستگاه‌های الکترونیکی بسیار مهم است، اما برای انجام مؤثرتر آن، باید بدانیم که چگونه گرما در این دستگاه‌های نانومقیاس جریان دارد.

ساخت دستگاه‌ها در سطح کوچک نانو به مهندسان نیاز دارد تا درک بهتری از نحوه رفتار مواد درون آن‌ها، مانند شیشه، در هنگام کوچک شدن تا این اندازه کوچک داشته باشند.

در مقاله جدیدی که در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است، کوی و تیمش دریافتند که در آن مقیاس اتمی بسیار کوچک، گرما به راحتی از شیشه عبور می کند. این غیر منطقی است زیرا شیشه به عنوان یک رسانای حرارتی ضعیف شناخته شده است. در واقع، گرما در مراحل مجزا جریان می‌یابد که هر کدام برابر با 40 درصد حداکثر مقداری است که یک کانال می‌تواند تحت قوانین فیزیک کوانتومی حمل کند – اولین باری است که چنین جریان گرمایی «کوانتی‌شده» که توسط ارتعاشات اتمی حمل می‌شود مشاهده شد.

Guilherme de Vilhena، محقق مؤسسه علوم مواد مادرید و یکی از نویسندگان این مطالعه، می گوید: "شیشه چیزی است که ما در پنجره ها قرار می دهیم تا گرما را در آن نگه داریم." اما آن را به صورت نخی به عرض یک اتم بکشید و برعکس عمل می‌کند: گرما را با کارایی که هرگز در یک عایق ندیده بودیم عبور می‌دهد.

در شیشه های معمولی، آرایش به هم ریخته اتم ها ارتعاشاتی را که گرما را منتقل می کنند، پخش می کند. در رشته ای به عرض یک اتم، جایی برای آن اختلال وجود ندارد، بنابراین ارتعاشات مستقیما از آن عبور می کنند.

این یافته‌ها می‌تواند پیامدهایی برای چگونگی طراحی قطعات الکترونیکی کوچک‌تر در مقیاس نانو توسط مهندسان در آینده داشته باشد. شیشه، به شکل دی اکسید سیلیکون، در سراسر تراشه های کامپیوتری امروزی به عنوان یک لایه عایق استفاده می شود.

دانشمندان از ابزار جدیدی استفاده می کنند که آنها را قادر می سازد مشاهده کنند که چگونه ریزترین ذرات ماده گرما را انتقال می دهند. با استفاده از آن، محققان دریافته اند که در سطح اتمی، مواد به شیوه های شگفت انگیزی رفتار می کنند.

این ابزار میکروسکوپ پروب حرارتی روبشی (SThM) نام دارد. این دستگاه از یک نوک شیشه‌ای و یک دماسنج داخلی برای احساس حرکت اتم‌ها و مولکول‌های کوچک استفاده می‌کند تا چگونگی جریان گرما را از طریق تماس‌های در مقیاس اتمی اندازه‌گیری کند. Cui آن را با یک نوک انگشت بسیار کوچک مقایسه می کند.

او گفت: "وقتی انگشت خود را برای لمس یک سطح قرار می دهید، می توانید بافت و گرما را احساس کنید." با این میکروسکوپ، این انگشت را در مقیاس نانو کوچک می کنیم و می تواند دما و جریان گرما را از طریق یک اتم بخواند.

در تحقیقات خود، این تیم از این نوک انگشت برای مشاهده دو تکه شیشه در حال فشرده شدن به هم استفاده کردند. سپس آنها را به آرامی از هم جدا کردند و تماس را تا زمانی که به نخی به عرض یک اتم باریک شد و قبل از شکستن باریک شد.

کوی گفت این رفتار خلاف واقع که آنها در ذرات ریز شیشه کشف کردند می تواند برای مواد دیگر نیز اتفاق بیفتد. او گفت: «اکنون می‌توانیم هر ماده‌ای را که بخواهیم با این میکروسکوپ مطالعه کنیم و ممکن است شگفتی‌های دائمی از این ابزار حاصل شود.

همه این تحقیقات بخشی از تلاش Cui برای توسعه حسگرهای دقیق تر برای اندازه گیری چیزهایی است که ما نمی توانیم ببینیم. او گفت: "من می خواهم رکورد جهانی سنجش حرارتی را به ثبت برسانم، به این معنی که باید پلتفرم های حساس تر و بیشتری بسازم." و مردم از آن برای مطالعه مشکلات اساسی حرارتی استفاده خواهند کرد.

این میکروسکوپ می تواند به دانشمندان کمک کند تا انتقال حرارتی در مقیاس اتمی را تقریبا در هر ماده ای، اعم از فلزات و عایق ها، مطالعه کنند.

کوی گفت: موادی که ما به آنها علاقه خاصی داریم، نیمه هادی هایی هستند که بلوک های سازنده دستگاه های نانوالکترونیکی هستند. این میکروسکوپ جدید که ما توسعه داده‌ایم یک ابزار تشخیصی عالی برای کشف مسائل مرتبط با کارایی انرژی و قابلیت اطمینان دستگاه‌های الکترونیکی در مقیاس نانو است.

Sai C. Yelishala و همکاران، رسانایی حرارتی شیشه در مقیاس اتمی به 40 درصد حد کوانتومی می رسد، نانوتکنولوژی طبیعت (2026). DOI: 10.1038/s41565-026-02308-9

ارائه شده توسط دانشگاه کلرادو در بولدر

لیسانس تاریخ هنر، کارشناسی ارشد فرهنگ مادی. سردبیر سابق موزه، پیراپزشک و هماهنگ کننده پیوند. ویرایش برای Science X از سال 2021. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →