تینا مزدکی_پژوهشگران در ایالات متحده به‌تازگی نشان داده‌اند که در شرایطی که مواد به حالت بسیار داغ و فوق‌چگال پلاسما (High-Energy-Density Plasma) می‌رسند، برخلاف انتظار گرما میان آن‌ها منتقل نمی‌شود. این آزمایش در آزمایشگاه لیزر Omega-۶۰ در دانشگاه راچستر انجام شده و در آن، حتی در دمای خیره‌کننده‌ی ۱۸۰ هزار درجه فارنهایت (معادل حدود ۱۰۰ هزار درجه سلسیوس)، انتقال گرما بین مواد مختلف بسیار محدود بوده است.
این یافته‌ها دیدگاه‌های پیشین درباره رفتار گرما در محیط‌هایی شبیه درون ستارگان، هسته‌ی سیارات یا آزمایش‌های همجوشی هسته‌ای با استفاده از لیزر را به چالش می‌کشند. به گفته‌ی پژوهشگران، این مطالعه می‌تواند به درک بهتر آزمایش‌های همجوشی با محصورسازی لَختی (Inertial Confinement Fusion) کمک کند؛ این آزمایش‌ها با استفاده از لیزر تلاش می‌کنند همجوشی کنترل‌شده‌ی هسته‌ای را روی زمین ممکن کنند.
نخستین مشاهده مستقیم اختلال در انتقال گرما
این تحقیق نخستین مشاهده‌ی مستقیم و تجربی از محدودیت انتقال حرارت میان مواد در چنین شرایط افراطی محسوب می‌شود. این پروژه توسط توماس وایت، فیزیک‌دان دانشگاه نوادا در رینو، و دانش‌آموخته‌ی سابق او، کامرون آلن، هدایت شده است. آن‌ها بر مرز میان فلز تنگستن و پوشش پلاستیکی آن تمرکز کردند که با حرارت و فشار شدید ناشی از پرتوهای ایکس حاصل از فویل‌های مسی گرم‌شده با لیزر، به پلاسما تبدیل شده بودند.
در طول آزمایش، سیم تنگستن تا دمایی حدود ۱۸۰ هزار درجه فارنهایت (حدود ۱۰۰,۰۰۰ درجه سانتی‌گراد) گرم شد، درحالی‌که پلاستیک مجاور آن در دمایی نسبتاً «سرد» و در حدود ۲۰ هزار درجه فارنهایت (حدود ۱۱ هزار درجه سانتی‌گراد) باقی ماند. توماس وایت گفت: «وقتی داده‌ها را بررسی کردیم، واقعاً شوکه شدیم، چون گرما میان این دو ماده جریان نداشت. در مرز تماس بین آن‌ها گیر کرده بود و مدت زیادی صرف کردیم تا دلیل آن را بیابیم.»
مقاومت حرارتی مرزی: عامل کلیدی اختلال
پژوهشگران مشخص کردند که «مقاومت حرارتی مرزی» (Interfacial Thermal Resistance) دلیل اصلی این رفتار غیرمنتظره است. این پدیده پیش‌تر در محیط‌های معمول‌تر هم شناخته شده بود، اما اکنون مشخص شده که در شرایط پلاسما با چگالی انرژی بالا نیز پابرجاست و نقش مهمی در جلوگیری از انتقال انرژی ایفا می‌کند. در این حالت، الکترون‌های ماده‌ی داغ‌تر، در مرز تماس با ماده‌ی سردتر به‌جای انتقال انرژی، پراکنده شده و دوباره به ماده‌ی داغ بازمی‌گردند؛ در نتیجه گرما از مرز عبور نمی‌کند.
کاربردهای گسترده‌تر
یافته‌های این پژوهش صرفاً به کاربردهای همجوشی هسته‌ای محدود نمی‌شود. شناخت بهتر رفتار گرما در پلاسماهای بسیار پرانرژی می‌تواند برای پیشرفت فناوری‌های دیگری نیز حیاتی باشد؛ از جمله فرآیندهای دقیق در صنعت نیمه‌رساناها (مانند اچینگ یا حکاکی لیزری) و طراحی سامانه‌های پروازی که قادر به حرکت با سرعت‌های هایپرسونیک (چند برابر سرعت صوت) هستند.
جرمایا ویلیامز، مدیر برنامه فیزیک پلاسما در بنیاد ملی علوم آمریکا (NSF)، درباره اهمیت این تحقیق گفت: «آزمایشگاه‌های لیزری با انرژی بالا، ابزارهایی حیاتی برای درک دقیق شرایط محیطی بسیار شدید به شمار می‌آیند و این مسئله در بسیاری از فناوری‌های کلیدی، از تشخیص‌های پزشکی گرفته تا کاربردهای امنیت ملی، اهمیت دارد.»
این مطالعه نه‌تنها ابعاد پیچیده‌ی فیزیک در محیط‌های افراطی را نشان می‌دهد، بلکه مسیر پیشرفت در حوزه‌هایی چون انرژی همجوشی، هوافضا و فناوری نانو را نیز هموارتر می‌کند.
منبع: interestingengineering
۳۲۳
