چگونه دانشمندان با استفاده از انتروپی مواد بهتری ایجاد می‌کنند
در مهندسی انتروپی، دانشمندان با هوشمندی بی نظمی (انتروپی) را کنترل یا استفاده می‌کنند تا عملکرد مواد را بهبود بخشند. این به معنای ایجاد موادی با تعادل مناسب بین نظم و بی نظمی برای عملکرد بهینه است.
برای تصور، یک اتاق مرتب و سازمان یافته را با انتروپی کم در نظر بگیرید. در مقابل، یک اتاق درهم و برهم دارای انتروپی بالایی است. به طور کلی انتروپی میزان بی نظمی در یک سیستم را اندازه‌گیری می‌کند. در علم، این مفهوم معمولاً در بحث‌های مربوط به انرژی و حرارت به کار می‌رود.
دستکاری انتروپی برای عملکرد بهتر
مهندسی انتروپی برای بهبود خواص مختلف مواد، از جمله کارایی ترموالکتریک، نشان داده شده است.
به عنوان مثال، با معرفی اتم‌های مختلف در یک ماده، دانشمندان میتوانند مقداری کنترل شده از بی نظمی (انتروپی بالا) را ایجاد کنند که به پخش ذرات انتقال حرارت کمک می‌کند در حالی که اجازه جریان الکتریکی را نیز می‌دهد.
این به معنای آن است که ماده می‌تواند از حرکت حرارت جلوگیری کرده و همزمان رسانایی الکتریکی خوبی را حفظ کند. آلیاژهای نیمه هیوزلر نمونه‌ای از این اصل در عمل هستند. این مخلوط‌های فلزی که با افزودن فلزات اضافی بهینه‌سازی شده‌اند، انتروپی بالایی نشان می‌دهند که انتقال حرارت را مسدود کرده و توانایی آنها را در تولید برق از گرما افزایش می‌دهد.
مهندسی انتروپی همچنین در درک سیستم‌های زیستی مانند تا شدن پروتئین، که یک چالش کلیدی در زیست‌شناسی مولکولی و بیوفیزیک است، نقش دارد. پروتئین‌ها از حالت نامرتب و باز (انتروپی بالا) به ساختار پایدار و کارآمد (انتروپی کم) منتقل می‌شوند.
انرژی آزاد شده در طول تشکیل پیوند، کاهش انتروپی را تعادل می‌کند و پروتئین را تثبیت می‌کند. تاشدگی نادرست می‌تواند منجر به بیماری‌هایی مانند آلزایمر شود، که پژوهش در این زمینه برای توسعه درمان‌های بهتر ضروری می‌باشد.
چرا مواد با انتروپی بالا همچنان در آزمایشگاه باقی‌مانده‌اند
با اینکه پیشرفت‌های قابل توجهی رخ داده است، مواد با انتروپی بالا همچنان با چالش‌هایی در کاربردهای عملی و در مقیاس بزرگ مواجه‌اند. مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۲ به رهبری شیفنگ ژو در آزمایشگاه ملی کلیدی مواد درخشان و دستگاه‌ها به نیاز به فراتر رفتن از اصول طراحی سنتی مواد که اساساً بر انتالپی (محتوای انرژی) متمرکز است، اشاره کرده است.
طراحی مواد سنتی عموماً بر روی اصلی استوار است که یک یا دو ماده اصلی پایه را تشکیل می‌دهند و عناصر فرعی به عنوان اجزای تکمیلی عمل می‌کنند.
این رویکرد طبیعتاً دامنه نوآوری در مواد را محدود می‌کند. همانطور که ذکر شد، "مهندسی انتروپی" تغییری پارادایمی را معرفی می‌کند: زمانی که تعداد اجزای اصلی از یک آستانه مشخصی فراتر می‌رود، تحول ساختاری در طول آماده‌سازی مواد توسط ویژگی‌های انتروپیک هدایت می‌شود. در این سناریو، مواد از تشکیل ترکیبات بین اجزابی اصلی جلوگیری می‌کنند و به جای آن به یک فاز واحد توسعه می‌یابند.
مطالعه نشان می‌دهد که پیشرفت‌ها در آلیاژهای با انتروپی بالا و مواد سرامیکی به طور قابل توجهی کاربردهای آنها را گسترش داده است.
با این حال، آیا این رویکرد مقرون به صرفه است؟ "با اینکه مواد با انتروپی بالا به طور نظری دارای خواص عالی مواد بوده و اهمیت قابل توجهی در چندین زمینه دارند، تحقیقات کنونی در مورد مواد با انتروپی بالا عمدتاً در آزمایشگاه‌ها متمرکز است. به دلیل محدودیت‌هایی مانند هزینه ساخت و بازده، مواد با انتروپی بالا هنوز به کاربرد در مقیاس بزرگ در مهندسی عملی دست نیافته‌اند،" محقق به مهندسی جالب گفت.
او بر اهمیت این نکته تأکید کرد که بسیاری از کشورها اکنون مواد با انتروپی بالا را به عنوان منابع استراتژیک طبقه‌بندی می‌کنند.
مواد جدید با انتروپی بالا مرزهای تبدیل انرژی را گسترش می‌دهند
مطالعه‌ای در سال ۲۰۲۲ اولین نانوذرات با انتروپی بالا را معرفی کرد که کلاس‌های جدیدی از نانومواد برای فوتونیک، اپتو الکترونیک، فتوکاتالیز، و تبدیل انرژی ترموالکتریکی را باز می‌کند.
دیوید لوئیس، رئیس بخش مواد در دانشگاه منچستر، به پتانسیل آنها برای دستگاه‌های تولید انرژی مانند سلول‌های خورشیدی و ترموالکتریک‌ها اشاره کرد.
"ما اخیراً برای اولین بار سنتز کالکوجنید با انتروپی بالا را به صورت فیلم نازک گزارش داده‌ایم. ما بسیار هیجان زده‌ایم زیرا این شکل عملکردی برای بسیاری از دستگاه‌های تولید انرژی مانند سلول‌های خورشیدی/ ترموالکتریک‌های فیلم نازک است،" لوئیس به IE گفت.
مطالعه فیلم‌های نازک با انتروپی بالا را با ترکیب‌های فلزی متنوع توسعه داد که تنوع را در کاربردهای کاتالیزی و مرتبط با انرژی نشان می‌دهد.
وقتی در مورد کارایی مهندسی انتروپی و استراتژی‌هایی برای بهینه‌سازی مواد برای تبدیل انرژی و پایداری پرسیده شد، لوئیس فرصت‌های زیادی را در تولید انرژی پایدار مطرح کرد.
این‌ها شامل کاربردهایی در ترموالکتریسیته، الکتروکاتالیز، باتری‌ها، ذخیره‌سازی انرژی، و سرامیک‌های ارتجاعی می‌شود. او افزود که فهرست استفاده‌های جدید و غیرمنتظره از این مواد روز به روز گسترش می‌یابد.
ژنراتورهای ترموالکتریک با تبدیل گرمای هدررفت به برق، آنها را برای بازیابی انرژی از ماشین های تولید گرما مفید می‌کند. مطالعه‌ای که در سپتامبر ۲۰۲۴ منتشر شد نشان داد که این دستگاه‌ها میتوانند به زودی در کارایی با سایر منابع انرژی تجدید پذیر رقابت کنند.
با استفاده از مواد با انتروپی بالا، محققان مواد ترموالکتریک توسعه دادند که میتوانند به کارایی تبدیل تا ۱۵ درصد دست یابند که بهبود قابل توجهی نسبت به درصد پنج تا شش کنونی است. این پیشرفت‌ها پتانسیل بزرگی برای استفاده از گرمای هدررفته در صنایع و کاربردهایی مانند ماموریت‌های فضایی دارد.
مرزهای آینده
ژو توضیح داد که مهندسی انتروپی می‌تواند محدود به آلیاژهای بلوری و مواد سرامیکی باشد. پیشرفت در مهندسی انتروپی نیازمند گسترش اصول آن به مواد آمورف مانند شیشه فوتونیکی و توسعه روش‌های کارآمد برای پیش‌بینی خواص مواد است.
شبیه‌سازی‌های تئوریک، هوش مصنوعی و ابزارهای مشابه میتوانند اجزای بهینه برای مواد با کارایی بالا را شناسایی کنند و به طور قابل توجهی چرخه پژوهش و توسعه را کوتاهتر کنند. با این حال، هزینه نسبتاً بالای آماده‌سازی مواد همچنان مانعی برای کاربردهای مهندسی عملی باقی می‌ماند.
برای غلبه بر این مسئله، کاربردهای نوآورانه باید ایجاد نیازهای جدید مواد را هدایت کنند و استفاده مهندسی از مواد با انتروپی بالا را راهنمایی کرده تا پتانسیل کامل آنها را باز کند.
بر اساس نظرسنجی بازاریابی توسط تحقیقات تجاری ، انتظار می‌رود که بازار جهانی آلیاژ با انتروپی بالا از ۵۴.۷ میلیون دلار در سال ۲۰۲۲ به ۴۸۶ میلیون دلار تا سال ۲۰۳۲ افزایش یابد. این رشد نشان‌دهنده پتانسیل تحول‌آفرین مواد با انتروپی بالا در انقلابی کردن علم و مهندسی مواد است.
مواد با انتروپی بالا یک پارادایم جدید در علم مواد ارائه می‌دهند با کنترل پایدار بی نظمی. از بهبود کارایی ترموالکتریک گرفته تا پیشبرد کاربردها در نانوتکنولوژی و سیستم‌های زیستی، مهندسی انتروپی کلیدی برای باز کردن راه‌حل‌های نوآورانه برای آینده است.
