مسیر ساخت مواد رساناتر با مدل‌سازی کوانتومی هموار شد!

به گزارش مجله خبری نگار/سرپوش، پژوهشی نوین با بهره‌گیری از شبیه‌سازی‌های کوانتومی نشان می‌دهد که ساختار اتمی و میزان ناخالصی‌های موجود در کامپوزیت‌های زغال ـ مس نقشی تعیین‌کننده در رسانایی الکتریکی این مواد دارند. این یافته‌ها می‌توانند مسیر تازه‌ای در طراحی مواد پیشرفته برای کاربرد‌های الکترونیکی و انرژی بگشایند.

رسانایی الکترونیکی کامپوزیت‌های کربنی به‌ویژه آنهایی که از زغال‌سنگ مشتق شده‌اند، مدت‌هاست مورد توجه دانشمندان قرار دارد. این ترکیبات که در آنها ساختار‌های کربن با شبکه‌های فلزی همچون مس ترکیب می‌شوند، نویدبخش توسعه مواد سبک، رسانا و مقاوم برای کاربرد‌های متنوع هستند. اما آنچه تا کنون درک کاملی از آن حاصل نشده بود، چگونگی تأثیر ساختار درونی این مواد و ناخالصی‌های شیمیایی بر رفتار الکترونی آنها بود.

اکنون تیمی از پژوهشگران دانشگاه اوهایو، با استفاده از روش نظریه تابعی چگالی (DFT) توانسته‌اند به پاسخی دقیق در این زمینه دست یابند. آنها در مقاله‌ای با عنوان «رسانایی الکترونیکی در کامپوزیت‌های مس‌ـ‌گرافن با ناخالصی‌های عاملی» نشان داده‌اند که چگونه وجود گروه‌های عاملی (مانند اکسید‌ها و هیدروکسیدها) و بی‌نظمی‌های ساختاری در حلقه‌های کربنی می‌تواند منجر به بروز حالت‌های الکترونی موضعی شده و جریان الکترون‌ها را مختل کند.

بر اساس شبیه‌سازی‌های کوانتومی این گروه، گروه‌های عاملی بیشتر به ایجاد حالت‌هایی زیر سطح فرمی (Fermi Level) منجر می‌شوند که به‌نوعی الکترون‌ها را «به دام» می‌اندازند و مانع حرکت آزاد آنها در ماده می‌شوند. در سوی دیگر، ساختار‌های ناقص حلقوی به‌ویژه آنهایی که از شکل شش‌ضلعی ایده‌آل خارج شده‌اند، حالت‌هایی بالای سطح فرمی ایجاد می‌کنند که مسیر حرکت الکترون‌ها را به‌شدت آشفته می‌کند.

این تغییر در توزیع حالت‌های الکترونی، ساختار الکترونیکی ماده را دگرگون کرده و تأثیر چشمگیری بر قابلیت رسانایی آن می‌گذارد. به گفته پژوهشگران، بی‌نظمی در حلقه‌های کربنی شبکه sp² نه تنها موجب پراکندگی بیشتر الکترون‌ها می‌شود، بلکه نقش مراکز پراکنده را ایفا کرده و مانع حرکت سیال جریان در سطح ماده می‌شود.

برای بررسی دقیق‌تر این پدیده، از روشی به نام رسانایی فرافکن‌شده در فضا (SPC) استفاده شده است که به دانشمندان امکان می‌دهد رسانایی را در جهت‌های مختلف فضایی شبیه‌سازی و تحلیل کنند. یافته‌ها نشان می‌دهد که هم راستای بلوری ماتریس مس و هم میزان ناخالصی‌ها در ماده، نقشی اساسی در میزان و جهت‌داری (آنایزوتروپی) رسانایی ایفا می‌کنند. به عبارت دیگر، رسانایی این کامپوزیت‌ها نه تنها به مقدار ناخالصی بلکه به جهت ساختار نیز وابسته است.

تحلیل چگالی حالت‌های الکترونی (Density of States) نیز حضور گسترده حالت‌های موضعی در نزدیکی سطح فرمی را تأیید می‌کند؛ حالت‌هایی که نتیجه تعامل پیچیده بین ساختار کربنی، ناخالصی‌های عاملی و نقص‌های ساختاری هستند.

دانشمندان تأکید دارند که گروه‌های عاملی با ایجاد موضعی‌شدن بار، مانع حرکت آزاد الکترون‌ها می‌شوند و در کنار آن، بی‌نظمی‌های حلقوی مسیر‌های رسانایی را قطع می‌کنند. از این‌رو، دستیابی به رسانایی بالا نیازمند کنترل دقیق هر دو عامل است: هم ساختار شبکه و هم خلوص شیمیایی.

نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که طراحی موفق کامپوزیت‌های کربن‌ـ‌فلز باید با رویکردی جامع انجام شود؛ رویکردی که به دقت ساختار اتمی، خلوص مواد و راستای بلوری را در نظر گیرد. پژوهشگران توصیه می‌کنند که برای رسیدن به عملکرد بهینه، باید هم‌آرایی بلوری مس را به‌خوبی مهندسی کرد و میزان ناخالصی‌ها را به حداقل رساند.

این مطالعه نه تنها به درک بنیادی از رفتار الکترونیکی مواد کمک می‌کند، بلکه افق‌های تازه‌ای برای طراحی نسل بعدی کامپوزیت‌های رسانا می‌گشاید. از ذخیره و تبدیل انرژی گرفته تا حسگر‌های پیشرفته و صنایع الکترونیک، کاربرد‌های بالقوه این یافته‌ها گسترده و چشمگیر است. این پژوهش نمونه‌ای برجسته از پیوند میان مدل‌سازی محاسباتی و علم مواد است؛ پیوندی که به حل چالش‌های فناورانه فردا کمک خواهد کرد.