اختراقات في البدائل المعدنية الموصلة للإلكترونيات الفعالة

يعد النحاس مكونًا أساسيًا في الدوائر الإلكترونية، ولكن البدائل مثل النيكل والتنغستن والفولاذ المقاوم للصدأ والألومنيوم أصبحت أكثر شيوعًا. يجب على الكوكب الخالي من الكربون أن يحول التركيز إلى البدائل المعدنية الموصلة لتقليل الضغط البيئي وزيادة الإنتاجية الميكانيكية. تعكس هذه التطورات الأخيرة مستقبل إلكترونيات الجيل التالي مع وعي أكبر بأزمة المناخ والتطبيقات النهائية الجديدة.

أنابيب الكربون النانوية

تريد شركة ناشئة في تكساس تدعى DexMat إيجاد بديل للنحاس يتمتع بقوة تشبه الفولاذ وخفة الألومنيوم. لقد طورت شركة Galvorn لتحل محل الخيارات المعدنية والكربونية الثقيلة مثل الفولاذ. قام خبراء وعلماء المناخ هؤلاء بإنشاء جالفورن عن طريق فصل الهيدروكربونات عن المواد الأولية مثل الميثان. إن معالجة الكربون أمر سهل، وتحويله إلى شبكات وألياف وأغشية.

إن تعدد استخدامات مادة مثل جالفورن قد يقنع المتخصصين في الصناعة بالاهتمام. وقد يستفيد خبراء السيارات من خصائصه في طلاء البطاريات، في حين يمكن لمصنعي أشباه الموصلات الاستفادة منه كمكون سلكي قوي. إن قدرتها على إزالة انبعاثات الكربون وجعل الإلكترونيات باهظة الثمن أكثر فعالية من حيث التكلفة قد تؤدي إلى تحويل كل شيء بدءًا من تحديث الشبكة إلى اعتماد السيارات الكهربائية.

الشيء الوحيد الذي يمنع جالفورن من الوصول إلى الاتجاه السائد هو الحاجة إلى التوسع. قد يكون توافقه الحيوي وإمكانية تخزين الكربون كافيين لإغراء المستثمرين وتسريع عملية التصنيع حيث يصبح النحاس أكثر قيمة ولا يمكن الوصول إليه.

جائزة تصنيع موصلات الكابلات

ولاحظت وزارة الطاقة الأمريكية ارتفاع أسعار النحاس إلى جانب الرغبة في الحصول على المزيد من المواد الموصلة للكهرباء مقارنة بالبدائل الرخيصة مثل الألومنيوم. لقد حفزت جائزة تصنيع الموصلات للمواد المعززة للتوصيلية من أجل الحصول على جائزة تصنيع الموصلات للتطبيقات الكهربائية والحرارية (CABLE) بأسعار معقولة ومبتكرة، والتي كلفت الفرق باكتشاف طريقة للتغلب على النحاس. ما الذي اكتشفه عدد قليل من الفرق الكبرى للقضاء على هذا الاعتماد؟

فريق NAECO

قامت NAECO بإنشاء قرص معدني، وقدمت الفكرة تحت عنوان “مركب النحاس النانوكربوني المعزز بالموصلية”. لا يزال هذا الابتكار يعتمد على سبائك النحاس والنحاس في وصفته. ومع ذلك، فهو يجمعها مع قوة الجرافين لإنشاء شيء غير عادي لصناعات مثل الطيران ووسائل النقل التجارية الأخرى. يثقل النحاس كاهل الطائرات بوزن إضافي، ولا يمكنه تحريك الإلكترونات بشكل منتج، فإذا جعلتها مادة جديدة أقل حجمًا، يتم تحسين الانبعاثات والكفاءة.

جامعة كولورادو بولدر

قام فريق الجامعة هذا بصناعة مركب من الجرافين والنحاس يشبه إلى حد كبير NAECO. واستخدمت طريقة “الفلاش” التي اخترعتها بنفسها لإظهار ذلك، مع إعادة تصور تصنيع المعادن الموصلة على أساس تشكيل السيراميك. تنتج هذه العملية البلازما لتمهيد الطريق لإنشاء مواد سهلة لصنع كل شيء بدءًا من الأسلاك وحتى أجزاء الطائرة. يشير اسم الطريقة إلى سرعة التقنية، حيث يتم عرض المركب في ثوانٍ عند جزء صغير من درجة الحرارة.

مجموعة أبحاث سيلفا

اتبعت شركة Selva نهجًا مختلفًا عن الفرق الأخرى التي حاولت تحسين النحاس، حيث أرادت استبداله بموصلات فائقة بسبب قدرتها على المناورة الإلكترونية. قام الفريق بتحسين متانة الموصلات الفائقة للتعامل مع التغيرات في درجات الحرارة بشكل أكثر رشاقة. يتمتع الموصل الفائق المبرد بالنيتروجين السائل بالقدرة على توفير موصلية لا نهائية.

المحاكاة الجزيئية القائمة على المعادن

وتشمل الإنجازات الأخرى عمليات إعادة الكتابة بالإضافة إلى إعادة بناء المعادن الموصلة. أصدر مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني (PNNL) مؤخرًا بحثًا حول الاستفادة من تقنيات المحاكاة الجزيئية. لقد نظر إلى ذرة الألومنيوم ذرةً بعد ذرة لمعرفة أين يمكن أن تغير خصائصه الموصلة.

لقد نجحت هذه التجربة باستخدام النماذج الرقمية في صناعة أشباه الموصلات، فلماذا لا تنجح في تغيير المعادن؟ لقد كانت قدرة النماذج على تكرار سيناريوهات الحياة الواقعية بمثابة اكتشاف، حيث كشفت عن إمكانات لا حدود لها للعلماء لاستكشاف المعادن بطرق لم يسبق لها مثيل. وهذا يمكن أن يحفز كل قطاع على تحليل مواده الأولية لإيجاد طرق للقضاء على نقاط الضعف فيها.

في حالة PNNL، أرادت الاستفادة من وزن الألومنيوم مع مطابقة موصلية النحاس. وقد أدى الانخراط في التعديلات المقترحة للنموذج إلى تعزيز الأبحاث حول كيفية تعامل الخبراء مع المعادن.

مستقبل المعادن الموصلة

تسلط مجموعة الأبحاث التي تكتشف طرقًا جديدة لهندسة النحاس والتفوق عليه الضوء على مستقبل متفائل في المعادن الموصلة الخضراء عالية الأداء. هذه ليست سوى عدة اكتشافات حديثة أحدثت تغييرًا جذريًا في مجال الإلكترونيات، مع وجود الكثير من الأدلة التي تثبت صحة الاستثمارات الوفيرة والوقت المستغرق في التكرير.

ظهرت المقالة الاختراقات في البدائل المعدنية الموصلة للإلكترونيات الفعالة للمرة الأولى على أخبار إلكترونيات الطاقة.