هل سبق لك أن تساءلت كيف يغلي الماء في الغلاية الكهربائية؟ ربما يعتقد معظم الناس أن الكهرباء تقوم ببساطة بتسخين الملف المعدني داخل الغلاية ثم تنقل الحرارة إلى الماء. لكن الكهرباء تفعل أكثر من ذلك بكثير. عندما يقوم تيار كهربائي بتحريك الأيونات في المحلول، يتم إنتاج الحرارة. عندما تكون جميع الأيونات والجزيئات المحيطة بها حرة في الحركة، يتم توزيع تأثير التسخين هذا بالتساوي في جميع أنحاء المحلول. الآن، قام باحثون من اليابان بدراسة ما يحدث عندما يتم حظر هذا التدفق في اتجاه واحد.
رسم تخطيطي يصور تبريد ثقب النانو عن طريق النقل الأيوني الانتقائي للشحنة. المصدر: 2023 تسوتسوي وآخرون، تبريد بلتيير للإدارة الحرارية لأجهزة الموائع النانوية، الأجهزة
أظهرت دراسة رائدة أجراها باحثون يابانيون التبريد من خلال المسام النانوية، مما أحدث ثورة في التحكم في درجة الحرارة في أنظمة الموائع الدقيقة وتعميق فهم القنوات الأيونية الخلوية.
في دراسة حديثة نشرت في مجلة Device، أظهر فريق بقيادة باحثين في معهد العلوم والصناعة بجامعة أوساكا (SANKEN) أنه يمكن تحقيق التبريد باستخدام ثقب صغير جدًا في الغشاء - كقناة تسمح فقط لأيونات معينة بالمرور عبرها.
بشكل عام، يؤدي دفع الأيونات في محلول به كهرباء إلى تحرك الأيونات الموجبة والسالبة في اتجاهين متعاكسين. ولذلك، فإن الطاقة الحرارية التي تحملها الأيونات تتدفق في كلا الاتجاهين.
سيكون من الممكن التحكم في تدفق الأيونات إذا تم حظر مسارها بواسطة غشاء يحتوي على ثقب نانوي واحد فقط. على سبيل المثال، إذا كان سطح المسام مشحونًا بشحنة سالبة، فإن الأيونات السالبة سوف تتفاعل معه بدلاً من المرور من خلاله، وسوف تتدفق الأيونات الموجبة فقط، آخذة طاقتها معها.
يوضح ماكوسو تسوتسوي، المؤلف الأول للدراسة: "عند التركيزات الأيونية الأعلى، قمنا بقياس زيادة في درجة الحرارة مع زيادة الطاقة الكهربائية. ومع ذلك، عند التركيزات المنخفضة، تتفاعل الأيونات السالبة المتاحة مع جدران المسام النانوية المشحونة سالبًا. لذلك، تمر الأيونات الموجبة فقط عبر الثقب النانوي، وتنخفض درجة الحرارة".
يمكن استخدام التبريد الأيوني الموضح لتبريد أنظمة الموائع الدقيقة المستخدمة لنقل أو خلط أو دراسة كميات صغيرة جدًا من السوائل. تعتبر هذه الأنظمة مهمة في العديد من التخصصات، بدءًا من الإلكترونيات الدقيقة وحتى طب النانو.
بالإضافة إلى ذلك، قد تساعد هذه النتائج في تعزيز فهمنا للقنوات الأيونية، التي تلعب دورًا حاسمًا في آلية التوازن الدقيقة للخلية. يمكن أن تكون هذه الرؤية أساسية لفهم الوظيفة والمرض وتصميم العلاجات.
وقال توموجي كاواي، كبير مؤلفي الدراسة: "نحن متحمسون للتأثير المحتمل الواسع للنتائج التي توصلنا إليها". "هناك مجال كبير لتخصيص المواد ذات المسام النانوية لضبط تأثير التبريد. بالإضافة إلى ذلك، يمكن إنشاء مصفوفات النانو لتضخيم التأثير."
هناك بالفعل العديد من المجالات التي يمكن تعزيز هذا البحث فيها، بما في ذلك استخدام التدرجات الحرارية لتوليد القوة الدافعة الكهربائية. ويمكن تطبيق ذلك على استشعار درجة الحرارة أو حصاد الطاقة الزرقاء.
تم التجميع من: سايتك ديلي