به گفته محققان یک ترکیب کربن معمولی هنگامی ‌‌‌که به نسبت مناسب با مس برای ساخت سیم‌‌‌های الکتریکی مخلوط می‌شود، عملکرد سیم را به مقدار قابل‌توجهی بهبود می‌‌‌بخشد. این پدیده‌ای است که علم متعارف را در مورد چگونگی هدایت الکتریسیته فلزات به چالش می‌‌‌کشد. این یافته‌‌‌ها که در دسامبر ۲۰۲۳ در مجله Materials & Design گزارش شد، می‌تواند منجر به توزیع کارآمدتر برق در خانه‌‌‌ها و مشاغل و همچنین موتورهای کارآمدتر برای تامین انرژی خودروهای الکتریکی و تجهیزات صنعتی شود. این تیم درخواست ثبت اختراع برای کشف خود کرده است که توسط وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) دفتر مواد پیشرفته و فناوری‌‌‌های ساخت پشتیبانی می‌شود.

دانشمند مهندسی مواد، کراتی کاپاگانتولا و همکارانش در آزمایشگاه ملی شمال غرب اقیانوس آرام (PNNL) وزارت انرژی ایالات متحده کشف کردند که گرافن، لایه‌‌‌های منفرد از همان گرافیت موجود در مدادها، می‌تواند ویژگی مهم فلزات به نام ضریب مقاومت دمایی را افزایش دهد. این ویژگی توضیح می‌دهد که چرا سیم‌‌‌های فلزی با عبور جریان الکتریکی از آنها داغ می‌‌‌شوند. محققان می‌‌‌خواهند این مقاومت را کاهش دهند و در عین حال توانایی فلز برای هدایت الکتریسیته را افزایش دهند. چند سال است که می‌‌‌پرسند آیا با افزودن مواد دیگری به آن، رسانایی فلز به‌ویژه در دماهای بالا افزایش می‌‌‌یابد؟ و اگر بله، آیا این کامپوزیت‌‌‌ها در مقیاس تجاری قابل دوام هستند؟

اکنون، آنها با استفاده از یک پلتفرم تولید پیشرفته ثبت شده در آزمایشگاه PNNL به نام ShAPE نشان داده‌‌‌اند که می‌توانند این کار را انجام دهند. هنگامی‌‌‌ که تیم تحقیقاتی ۱۸ قسمت از میلیون گرافن را به مس گرید الکتریکی اضافه کرد، ضریب دمایی مقاومت مس بدون کاهش رسانایی الکتریکی در دمای اتاق تا ۱۱‌درصد کاهش یافت. این برای ساخت موتورهای وسایل نقلیه الکتریکی مرتبط است، جایی که افزایش ۱۱ درصدی در هدایت الکتریکی سیم‌‌‌پیچ مسی به افزایش یک درصدی در راندمان موتور تبدیل می‌شود که میزان بسیار قابل‌توجهی است و در عملکرد کلی وسیله نقلیه تاثیر بسزایی خواهد داشت.

کاپاگانتولا در این خصوص اظهار کرد: این کشف با آنچه عموما در مورد رفتار فلزات به عنوان رسانا شناخته شده است، مغایرت دارد. به طور معمول، اضافه کردن مواد افزودنی به فلز، ضریب مقاومت دمایی آن را افزایش می‌دهد، به این معنی که در مقایسه با فلزات خالص، در همان سطوح فعلی سریع‌‌‌تر گرم می‌‌‌شوند. وی در ادامه افزود: ما در حال توصیف ویژگی جدید و هیجان‌انگیز این کامپوزیت فلزی هستیم که در آن رسانایی افزایش‌یافته را در یک سیم مسی ساخته‌شده مشاهده می‌‌‌کنیم.

ریزساختار کلید تقویت توسط گرافن است

پیش از این، تیم تحقیقاتی مطالعات ساختاری و محاسباتی مبتنی بر علم فیزیک را برای توضیح پدیده افزایش رسانایی الکتریکی فلزات با استفاده از گرافن انجام دادند. در این مطالعه، آنها نشان دادند که فرآوری فاز جامد مورد استفاده برای اکسترود کردن سیم کامپوزیت، منجر به یک ریزساختار یکنواخت و تقریبا بدون منافذ می‌‌‌شود و به تکه‌‌‌های ریز و خوشه‌‌‌های گرافن منتهی می‌شود که ممکن است مسوول کاهش ضریب مقاومت کامپوزیت باشد. کاپاگانتولا گفت: ما نشان دادیم که تکه‌‌‌ها و خوشه‌‌‌ها باید هر دو وجود داشته باشند تا رساناهای بهتری برای عملیات در دمای بالا ایجاد کنند.