گروهی از پژوهشگران بینالمللی با دستاوردی که میتواند آینده فناوریهای حرارتی را متحول کند، موفق شدهاند روشی نظری برای کنترل مستقل جذب و انتشار گرما ارائه دهند؛ موضوعی که تاکنون با یکی از اصول بنیادین فیزیک، موسوم به قانون تابش گرمایی کیرشهف، ناسازگار تلقی میشد.
به گزارش سیناپرس، نتایج این پژوهش که در نشریه تخصصی Laser & Photonics Reviews منتشر شده، نشان میدهد با بهرهگیری از میدان مغناطیسی و مواد پیشرفته، میتوان رفتار گرما را بهگونهای برنامهریزی کرد که میزان جذب انرژی حرارتی دیگر الزاماً با میزان انتشار آن یکسان نباشد. پژوهشگران معتقدند این فناوری میتواند مسیر توسعه نسل جدیدی از حسگرهای مادونقرمز، سامانههای مدیریت انرژی، حافظههای فوتونیکی و تجهیزات اپتوالکترونیکی را هموار کند.
در فیزیک کلاسیک، قانون کیرشهف که حدود ۱۶۰ سال پیش مطرح شد، بیان میکند هر سطحی که در یک طول موج و زاویه مشخص گرما را بهخوبی جذب میکند، باید همان مقدار را نیز در همان شرایط منتشر کند. این اصل تاکنون یکی از محدودیتهای اصلی در کنترل دقیق انرژی گرمایی به شمار میرفت.
اما پژوهشگران با طراحی ساختاری موسوم به «متاگرِیتینگ» (Metagrating)، مدلی ارائه کردهاند که این وابستگی متقابل را از میان برمیدارد. این سامانه از ترکیب یک ماده مغناطیسی–نوری و یک ماده تغییر فاز تشکیل شده است؛ مادهای که قادر است وضعیت خود را حتی پس از قطع انرژی حفظ کند و به دستگاه نوعی «حافظه» ببخشد.
یکی از نکات جالب این پژوهش، استفاده از آلیاژ ژرمانیوم، آنتیموان و تلوریوم (Ge₂Sb₂Te₅) است؛ مادهای که پیشتر در تولید دیسکهای قابل بازنویسی CD و DVD نیز کاربرد داشته و اکنون نقش کلیدی در ذخیرهسازی وضعیت حرارتی این سامانه ایفا میکند.
بر اساس این مدل، پژوهشگران میتوانند تنها با تغییر زاویه تابش نور، شدت میدان مغناطیسی یا ابعاد ساختار، رفتار جذب گرما را بهصورت دقیق تنظیم کنند؛ قابلیتی که پیش از این با چنین انعطافی امکانپذیر نبود.
با این حال، دانشمندان تأکید میکنند که این دستاورد هنوز در مرحله مدلسازی نظری و شبیهسازی رایانهای قرار دارد و نمونه عملی آن ساخته نشده است. گام بعدی، طراحی و ساخت یک نمونه آزمایشگاهی خواهد بود تا عملکرد این فناوری در شرایط واقعی ارزیابی شود.
به گفته پژوهشگران، اگر این فناوری در عمل نیز موفق باشد، میتواند کاربردهای گستردهای در مدیریت حرارت تراشههای الکترونیکی، افزایش بهرهوری سامانههای انرژی، توسعه حسگرهای هوشمند مادونقرمز و حتی ساخت نسل جدیدی از حافظههای نوری داشته باشد که اطلاعات را به جای بار الکتریکی، با استفاده از نور و گرما ذخیره میکنند.
این پژوهش بار دیگر نشان میدهد که حتی اصولی که دههها بهعنوان قوانین تثبیتشده فیزیک شناخته میشدند، در شرایط خاص و با طراحیهای نوآورانه میتوانند بازنگری شوند؛ اتفاقی که میتواند افقهای تازهای را در علم مواد، فوتونیک و فناوریهای آینده بگشاید.