يقصد بالانظمة النانوية الاجسام التي ابعادها في حدود النانومتر وتنقسم الئ ثلاثة اقسام وهو : 1-الافلام النانوية الرقيقة (Thin film; Quantum well) وعندها يكون احد ابعاد الجسم او الشريحة في حدود نانومتر والبعدين الاخرين في حدود مايكرومتر. 2- الاسلاك النانوية (Nanowire) وعندها يكون البعدين في حدود النانومتر وبعد واحد فقط في حدود المايكرومتر. 3- الجسيم النانوي(Nanoparticle) وهو جسيم ابعاده في حدود النانومتر.
هناك تصنيف اخر يعتمد على ترتيب الذرات الدورية داخل المادة(periodicity) حيث ان ترتيب الذرات في الافلام النانوية يكون في بعدين وفي الاسلاك في بعد واحد وليس هناك تنظيم للذرات في الجسيمات النانوية في اي بعد. يسمى الاجسام بالنانوية عندما يقترب اقطار او الحجوم الاجسام الى 100 نانومتر واطوالها بضع مئات من النانومترات.
الخواص الفيزيائية والكيمياوية للانظمة النانوية مثل: فجوة الطاقة (energy gap)، نقطة انصهار المادة والتمدد الحراري، سعة الحرارة النوعية وفعالية السطح (surface reactivity)، كثافة مستويات الطاقة (density of enstate) في الشكل (1) كلها تعتمد على الحجم، كذلك التوصيل الحراري.
شكل(1) كثافة مستويات الطاقة للانظمة النانوية
وفي بعض الاحيان فان تغير خواص المادة مع نقصان الحجم يكون جذريا مثال على ذلك مادة السليكون حيث ان فجوة الطاقة لها تكون من النوع الغير مباشر (in-direct energy gap) عندما ابعاد المادة كبيرة، وعندما نقترب من حدود النانومتر تتغير الفجوة من (in-direct) إلى (direct energy gap) كما في شكل (2) .
شكل (2) تغير فجوة الطاقة عند نقصان ابعاد المادة الى حدود النانومتر
في هذه المقالة سنركز على الخواص الحرارية للمواد النانوية (وتشمل :التوصيلية الحرارية في الجزء الاول من المقالة، التمدد الحراري، نقطة الانصهار، واخيرا السعة الحرارية في الجزء الثاني من المقالة) وكيفية تغيرها مع الحجم.
1- التوصيلية الحرارية (Thermal conductivity): ويقصد بها سهولة او صعوية انتقال الحرارة داخل المادة وتعتمد على نوع المادة وسمكها ونسبة الشوائب داخل المادة للاجسام العيانية. الحرارة تنتقل في الموصلات بواسطة الالكترونات الحرة اما في اشباه الموصلات فبواسطة الفونونات (الفونون هو عبارة عن كم طاقة تذبذب الذرات Quantized lattice vibration ونسبة قليلة بواسطة الالكترونات اما في العوازل فبواسطة الفونونات فقط. فعند انتقال الفونون داخل المادة يتعرض الى عدة تصادمات كما في الشكل (3) ادناه:
شكل (3) انواع التصادمات للفونونات داخل المادة
ومن هذه التصادمات: تصادم الفونون مع الالكترون، والشوائب (impurity), والعيوب البلورية ثم مع الفونون والانخلاعات (dislocation) داخل المادة وكذلك مع حدود المادة (boundary scattering) (اي ابعادها). كل من هذه التصادمات تؤدي الى نقصان التوصيلية الحرارية للمادة. التوصيلية الحرارية تكون قيمتها غير متناهية عند الاقتراب من الصفر المطلق لان المقاومة الحرارية تكون صفرا. الشكل ادناه (4A) يمثل العلاقة بين التوصيلية الحرارية مع درجة الحرارة وتاثير العوامل المتعددة على التوصيلية الحرارية.
(A) ومنها: 1- في الدرجات الحرارية الواطئة(2-10كلفن) فان تصادم الموجات الحرارية مع ابعاد المادة له دور في تحديد قيمة التوصيلية الحرارية وذلك لطول الموجة الحرارية في هذه الدرجة الحرارية، 2- وعند الدرجات الحرارية المتوسطة (10-200كلفن) فان الشوائب لها تاثير على التوصيلية الحرارية. 3- وعند الدرجات الحرارية العالية(درجة حرارة الغرفة) فان التصادم يكون بين الفونونات داخل المادة وتسمى هذه العملية ب(عملية امكلاب Umklapp scattering) وله دور في نقصان التوصيل الحراري. ان التصادمات داخل الانظمة النانوية اكبر بـ (10) مرات من التصادمات داخل الاجسام العيانية كما في شكل (4B).
(B) شكل (4) A- -التوصيلية الحرارية كدالة للحرارة. في كل مدى لدرجة الحرارة هنالك عامل له دور في تقليل التوصيلية الحرارية عند درجة الحرارة الواطئة فان ابعاد المادة هو المسيطر على التوصيلية وعند درجات الحرارة المتوسطة فان الشوائب داخل المادة له دور وعند درجات حرارية عالية فان تصادم بين الفونونات هو المسيطر على التوصيلية. B كلما صغر حجم المادة كلما ازدادت التصادمات مع محيط المادة (boundary scattering)
والان ماذا يحدث في الانظمة النانوية فالامر مختلف حيث ان التصادم مع ابعاد المادة يطغى على كل التصادمات وحتى عند درجة حرارة الغرفة . وعند مقارنة التصادم في الانظمة النانوية مع التصادمات في الاجسام ذات ابعاد الميكرون واكبر (عدة مئات من الميكرونات) نرى ارتفاع نسبة التصادم وبشكل كبير والى اكثر من عشرة اضعاف مقارنة مع التصادمات في داخل الاجسام ذات ابعاد اكبر من النانو (bulk) مما يؤدي الى نقصان التوصيلية الحرارية, فمثلا التوصيلية الحرارية للسليكون هي (w/make 150) اما للاسلاك النانوية فيساوي (10w/make) والشكل (5) ادناه يمثل المقارنة بين التوصيل الحراري لجسم صلد (bulk) ذات ابعاد كبيرة مع الاجسام النانوية.
شكل (5) التوصيل الحراري كدالة لحجم المادة النانوية فبتقليل الحجم يقل التوصيلية الحرارية
وسببها هو الحصر الفضائي للفونونات (spatial confinement of phonon) داخل المادة والذي يؤدي الى: ازدياد التصادمات مع حدود المادة، وبدوره يؤدي الى تغيير في علاقة التفريق (dispersion relation) للمادة (علاقة التفريق:- هي العلاقة التي بواسطتها يمكن معرفة عدد ونوع الانماط الذرات المتذبذبة داخل المادة ) والشكل (6) ادناه هو علاقة التفريق للمواد الصلدة العيانية.
شكل (6) علاقة التفريق للمادة الصلدة العصيانية
اما علاقة التفريق للانظمة النانوية فتختلف عن المواد الصلدة والشكل التالي (7) يمثل علاقة التفريق لسلك نانوي. من علاقة التفريق يمكن ملاحظة ان لكل موجة للفونون يقابلها تردد واحد هذا بالنسبة للاجسام العيانية اما بالنسبة لمواد النانوية فان لكل موجة عدة ترددات للفونون وهذا يعود الى تغير وحدة الخلية(unit cell) كلما اقتربنا من سطح المادة.
شكل (7) علاقة التفريق لسلك نانوي
هذا التغير في علاقة التفريق يؤدي الى تغير في سرعة المجموعة (group velocity) والتي هي مقياس لنقل الطاقة داخل المادة وتكون قليلة في الانظمة النانوية مما يؤدي الى نقصان في التوصيل الحراري.ونستطيع اختصار العملية بالمخطط التالي:
في المقال القادم سنركز على الانصهار والتمدد الحراري والحرارة النوعية للاجسام النانوية باذن الله.
