نویسنده: بهنام انصاری "لیسانس مهندسی مواد و متالورژی دانشگاه صنعتی اصفهان"
"مقدمه"
در دنیای امروز که با سرعت فزایندهای در حال پیشرفت است، اینترنت اشیا (IoT) به عنصری حیاتی تبدیل شده و شیوه زندگی ما را متحول کرده است. از خانههای هوشمند گرفته تا شهرهای هوشمند و دستگاههای پوشیدنی، هر روز با حجم عظیمی از دادهها و نیاز به پردازش سریع، ذخیرهسازی کارآمد و مدیریت انرژی هوشمند روبرو هستیم. اینجاست که Phase-Change Materials-) PCMs) وارد صحنه میشوند؛ دستهای منحصر به فرد از مواد که پتانسیل بالایی برای متحول کردن اکوسیستم IoT دارند.
این مواد نه تنها میتوانند مقادیر قابل توجهی گرمای نهان را در طول تغییر فاز برگشتپذیر (معمولاً از جامد به مایع یا جامد به جامد) جذب، ذخیره و آزاد کنند، بلکه در برخی موارد خاص، مانند آلیاژهای کالکوژنید، تغییرات سریع و برگشتپذیری را در خواص الکتریکی و نوری خود بین حالتهای بیشکل (آمورف) و بلورین (کریستالی) نشان میدهند. این ویژگیهای ذاتی، PCM را برای حل چالشهای حیاتی در IoT، از جمله مدیریت توان، پردازش داده، و تنظیم حرارتی، بینظیر میسازد.
"اصول بنیادی (PCM) ها"
مواد PCM دستهای متمایز از مواد هستند که توانایی جذب، ذخیره و آزادسازی مقادیر قابل توجهی از گرمای نهان را در طول یک تغییر فاز برگشتپذیر دارند. این تغییر معمولاً در یک دمای تقریباً ثابت و از حالت جامد به مایع یا از جامد به جامد رخ میدهد. این خاصیت بنیادی به طور گستردهای برای ذخیرهسازی و مدیریت کارآمد انرژی حرارتی در کاربردهای گوناگون مورد بهرهبرداری قرار میگیرد.
فراتر از کاربردهای حرارتی، زیرمجموعه خاصی از PCMها، نظیر آلیاژهای کالکوژنید، تغییرات سریع و برگشتپذیری را بین حالتهای بیشکل (مقاومت الکتریکی بالا) و بلورین (مقاومت الکتریکی پایین) از خود نشان میدهند. این تغییر چشمگیر در خواص الکتریکی و نوری، مبنای استفاده از آنها در حافظههای "پایدار" پیشرفته و قطعات الکترونیکی قابل پیکربندی مجدداست.
"خواص کلیدی و طبقهبندی PCMها"
کاربرد گسترده PCMها در صنایع مختلف، ناشی از مجموعهای از خواص کلیدی ترموفیزیکی و الکتریکی است که شامل موارد زیر میشود:
1.گرمای نهان ذوب (Latent Heat of Fusion)
این ویژگی تعیینکننده، PCMها را قادر میسازد تا در طول تغییر فاز خود، مقادیر قابل توجهی انرژی را در یک حجم فیزیکی کوچک جذب و ذخیره کنند. این خاصیت برای مدیریت حرارتی کارآمد و کاربردهای ذخیره انرژی حیاتی است.
2.نقطه ذوب (Melting Point)
دمای مشخصی که در آن یک PCM تحت تغییر فاز قرار میگیرد، یک معیار انتخاب بسیار مهم است. این دما باید با دقت برای محدوده عملکرد کاربرد هدف انتخاب شود. به عنوان مثال، در سیستمهای سرمایش الکترونیک، نقطه ذوب PCM معمولاً کمی پایینتر از حداکثر دمای مجاز قطعه انتخاب میشود.
3.رسانایی حرارتی (Thermal Conductivity)
در حالی که برخی PCMها مانند نمکهای هیدراته و PCMهای فلزی رسانایی حرارتی بالاتری نسبت به PCMهای آلی دارند، این مقدار اغلب برای کاربردهای نیازمند انتقال حرارت سریع، مانند الکترونیک پرتوان، کافی نیست. افزایش رسانایی حرارتی از طریق افزودنیهای مختلف و ساختارهای کامپوزیتی همچنان یک حوزه مهم تحقیقاتی است.
4.پایداری و قابلیت اطمینان (Cyclability and Reliability)
برای عملکرد طولانیمدت، PCMها باید در طول چرخههای مکرر ذوب-انجماد یا تغییر فاز بیشکل-بلورین، قابلیت اطمینان بالا و رفتار تغییر فاز قابل پیشبینی داشته باشند. مسائلی مانند فوقتبرید (باقی ماندن PCM به صورت مایع در دمای زیر نقطه ذوب بدون آزادسازی گرمای نهان) و جدایش فازی (تفکیک اجزا در اثر ذوب غیریکنواخت) میتوانند عملکرد را در طول زمان به شدت کاهش دهند.
5.سازگاری شیمیایی و خوردگی (Chemical Compatibility and Corrosion)
برای کاربردهای عملی، PCMها باید از نظر شیمیایی با مواد نگهدارنده خود سازگار باشند تا از تخریب، نشت یا واکنشهای ناخواسته جلوگیری شود. به عنوان مثال، هیدراتهای نمک میتوانند خورنده باشند و نیاز به انتخاب دقیق ظرف دارند.
6.تغییر حجم (Volume Change)
حداقل تغییر حجم در طول تغییر فاز یک ویژگی مطلوب است، به ویژه برای کاربردهایی با محدودیتهای فضایی دقیق یا جایی که یکپارچگی ساختاری حیاتی است.
7.کنتراست الکتریکی/نوری (Electrical/Optical Contrast)
برای کاربردهای حافظه و قابل پیکربندی مجدد، تفاوت مشخص در مقاومت الکتریکی یا خواص نوری بین حالتهای بیشکل و بلورین برای کدگذاری داده و دستکاری سیگنال اساسی است.
"طبقهبندی PCM هامرتبط با الکترونیک و کاربردهای مقیاس کوچک"
درواقع PCM ها بر اساس ترکیب شیمیایی و ویژگیهای عملکردی اصلی خود طبقهبندی میشوند:
1.پارافین وکسها (Paraffin Waxes)
این PCM آلی، به دلیل گرمای ذوب بالا به ازای واحد وزن، دامنه وسیع نقاط ذوب، چرخهپذیری قابل اطمینان، ماهیت غیرخورنده و بیاثر بودن شیمیایی، برای مدیریت حرارتی الکترونیک بسیار استفاده میشوند.
2.نمکهای هیدراته (Hydrated Salts)
این PCM های معدنی گرمای ذوب بالا به ازای واحد وزن و حجم، هدایت حرارتی نسبتاً خوب و تغییرات حجم کم را ارائه میدهند. با این حال، ماهیت خورنده آنها نیازمند انتخاب دقیق ظرف است.
3. آلیاژهای کالکوژنید (Chalcogenide Alloys) (مانند GST)
این مواد سنگ بنای کاربردهای حافظه "پایدار" (NVM) و حافظههای دسترسی تصادفی تغییر فاز (PCRAMs) هستند که تغییر فازهای سریع و برگشتپذیر بین حالتهای بیشکل و بلورین را با تفاوتهای قابل توجه در خواص الکتریکی و نوری نشان میدهند.
4.دیاکسید وانادیم (Vanadium Dioxide - VO2)
این ماده متغیر فلز-عایق (MIT) در حدود ۶۸ درجه سانتیگراد از حالت دیالکتریک به فاز فلزی تغییر میکند. این خاصیت برای تنظیم حرارتی غیرفعال و سطوح هوشمند قابل پیکربندی مجدد ارزشمند است.
5. مواد Pcm فلزی (Metallic PCMs)
فلزات و آلیاژهای آنها به دلیل هدایت حرارتی بالا، چگالی ذخیره حرارت حجمی بیشتر و پایداری حرارتی برتر برای ذخیرهسازی و مدیریت انرژی حرارتی جذاب هستند.
6.مواد PCM زیستی (Bio-based PCMs)
این دسته نوظهور، جایگزینهای دوستدار محیط زیست هستند که از منابع تجدیدپذیر مانند روغنهای طبیعی و اسیدهای چرب مشتق میشوند و نشاندهنده گرایش به سمت انتخابهای مواد آگاهتر به محیط زیست هستند.
"کاربردهای کلیدی PCM ها در اینترنت اشیا (IoT)"
این مواد به دلیل ویژگیهای منحصربهفرد خود، در چندین حوزه کلیدی IoT کاربردهای تحولآفرینی دارند:
1.حافظه تغییر فاز (PCM) برای ذخیرهسازی "پایدار"
حافظه تغییر فاز (PCM) در خط مقدم فناوریهای حافظه پایدار (NVM) نوظهور قرار دارد، به ویژه در توسعه حافظههای دسترسی تصادفی تغییر فاز (PCRAMs). آلیاژهای کالکوژنید، مانند Ge-Sb-Te (GST)، هسته اصلی این پیشرفتها را تشکیل میدهند. PCRAMs به دلیل ویژگیهای برترشان، نامزدهای بسیار امیدوارکنندهای برای جایگزینی حافظههای فلش (FLASH) سنتی هستند.
اصل بنیادی ذخیرهسازی داده در PCRAMs شامل تغییربرگشتپذیر PCM بین حالتهای بیشکل (مقاومت الکتریکی بالا) و بلورین (مقاومت الکتریکی پایین) است. این دو حالت خواص الکتریکی و نوری بسیار متفاوتی دارند که به طور موثری برای کدگذاری داده مورد بهرهبرداری قرار میگیرند.
مزایای PCM ها برای IoT عبارتند از:
سرعت بالا، چرخهپذیری عالی و مقیاسپذیری بالا: مناسب برای نیازهای حافظه با کارایی بالا در سناریوهای پرتقاضای IoT.
پایداری: PCM دادهها را حتی در صورت قطع برق حفظ میکند، که برای یکپارچگی داده و بازیابی سریع از قطعی برق در دستگاههای IoT و "در نقطه تولید داده" (Edge Computing) حیاتی است.
پتانسیل برای راهحلهای پردازش و ذخیرهسازی کممصرف: یک نیاز حیاتی برای پلتفرمهای IoT و "در نقطه تولید داده" با محدودیتهای توان.
قابلیت ذخیرهسازی چند سطحی: با پیوستگی مقادیر مقاومت، چگالی داده در هر سلول حافظه به طور قابل توجهی افزایش مییابد.
2.مدیریت حرارتی و راهحلهای خنککننده برای دستگاههای IoT
دستگاههای اینترنت اشیا مدرن، به ویژه آنهایی که نیازهای پردازشی بالا، ابعاد فیزیکی فشرده، یا عملکرد در شرایط محیطی چالشبرانگیز دارند، مستعد تولید حرارت قابل توجهی هستند. مدیریت حرارتی موثر برای حفظ دماهای عملیاتی بهینه و اطمینان از ایمنی، حداکثر عملکرد، و افزایش طول عمر قطعات الکترونیکی حیاتی است.
بطور کلی (PCM) ها با جذب بارهای انرژی اوج در دورههای تولید حرارت بالا و سپس آزادسازی آن حرارت ذخیرهشده در زمانهای غیر-اوج، به طور گستردهای در مدیریت حرارتی مورد استفاده قرار میگیرند. گرمای ذوب بالای آنها امکان میدهد تا حجم کمی از مواد، مقادیر زیادی از انرژی را جذب و ذخیره کند و نیاز به سیستمهای خنککننده فعال پیچیدهتر و پرمصرف را کاهش دهد.
3.مکانیزمهای خنککننده با PCM:
روشهای غیرفعال (Passive Methods)
این سیستمها از اینرسی حرارتی ذاتی و اثرات تغییر فاز PCMs، اغلب در ترکیب با همرفت طبیعی، بهره میبرند. مانند استفاده در دیوارها یا سقفهای محفظههای بیرونی برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد.
سیستمهای کمکی (Assisted Systems):
در این سیستم PCM ها میتوانند در سیستم های خنککننده هیبریدی یا مبدل های حرارتی گنجانده شوند تا هوای گرم داخلی را به PCM منتقل کنند.
کاربردهای PCM ها در سطوح مختلف تجهیزات الکترونیکی:
سطح قطعه/تراشه: برای مدیریت تولید حرارت گذرا یا جذب بارهای حرارتی اوج.
سطح برد/زیرقطعه: یکپارچهسازی در هیتسینکهای سنتی یا ساختار برد.
سطح سیستم/محفظه: یکپارچهسازی در دیوارها یا سقفهای محفظههای بیرونی برای جلوگیری از گرم شدن یا حفظ حرارت.
محفظههای باتری یا سیستمها: برای مدیریت حرارتی در باتریها.
خنکسازی کمکی یا اضطراری: برای سیستمهای اتلاف حرارت بالا در مناطق دورافتاده.
این مواد (pcm) به عنوان یک "منبع حرارتی" عمل میکنند که نوسانات دما را کاهش میدهد و قطعات را در محدوده عملکردی بهینه خود حفظ میکند. این پایداری حرارتی پیشگیرانه به طور مستقیم به افزایش قابلیت اطمینان دستگاه، افزایش طول عمر، و عملکرد ثابت برای استقرار IoT در شرایط پویا و اغلب سخت منجر میشود.
4.محاسبات نورومورفیک و هوش مصنوعی در لبه (Edge AI)
محاسبات نورومورفیک (Neuromorphic computing) با الهام از معماری مغز انسان، به دنبال یکپارچهسازی پردازش، ذخیرهسازی و انتقال اطلاعات در یک مکان فیزیکی واحد است. دستگاههای حافظه تغییر فاز (PCM) به دلیل توانایی منحصر به فردشان در کنترل سطوح هدایت الکتریکی خود، برای تحقق عناصر سیناپسی در این سیستمها بسیار مناسب هستند. وزنهای سیناپسی، که برای شبکههای عصبی مصنوعی بنیادی هستند، میتوانند مستقیماً بر حالتهای هدایت متغیر دستگاههای PCM نگاشت شوند. این رویکرد به طور مستقیم به مصرف انرژی فزاینده مرتبط با آموزش و اجرای مدلهای بزرگ هوش مصنوعی با استفاده از معماریهای محاسباتی متداول میپردازد.
در مجموع PCM ها پتانسیل قابل توجهی برای فعال کردن کاربردهای پیشرفته در محاسبات نورومورفیک، "درنقطه تولید داده"، IoT و هوش مصنوعی دارد. با یکپارچهسازی ذخیرهسازی و محاسبات در آرایههای NVM با سوئیچینگ مقاومتی (مانند PCM)، محاسبات نورومورفیک راهحلی حیاتی برای پلتفرمهای "در نقطه تولید داده" با محدودیت توان ارائه میدهد. این امر امکان پردازش نزدیکتر به منبع داده را فراهم میکند و تأخیر و نیاز به پهنای باند در زیرساخت ابری را کاهش میدهد. قابلیت ذخیرهسازی چند سطحی PCMs، که امکان پیوستگی مقادیر مقاومت را میدهد، برای کاربردهای نورومورفیک بسیار مفید است.
بهرهوری انرژی و قابلیتهای محاسبات درون حافظهای سیستمهای نورومورفیک مبتنی بر PCM برای انتقال بارهای کاری پیچیده هوش مصنوعی از سرورهای ابری متمرکز به لبه IoT حیاتی هستند. این تغییر امکان تحلیل دادهها در زمان واقعی، تصمیمگیری و یادگیری تطبیقی را مستقیماً بر روی دستگاه، بدون وابستگی ثابت به اتصال ابری، فراهم میکند.
5.برداشت انرژی و دستگاههای IoT خودگردان
برداشت انرژی (Energy harvesting) یک تکنیک حیاتی برای تامین انرژی دستگاهها و گرههای کوچک IoT با تبدیل منابع انرژی محیطی (مانند حرکت، گرادیانهای دما، و سیگنالهای فرکانس رادیویی) به مقادیر ناچیزی از توان الکتریکی است.
این مواد با ژنراتورهای ترموالکتریک (TEGs) یکپارچه میشوند تا تولید توان را بهینه کنند. PCM به عنوان یک هیتسینک یا منبع حرارتی پویا عمل میکند و یک اختلاف دمای ثابت و کافی را در سراسر TEG حفظ میکند، حتی زمانی که دمای محیط نوسان دارد.
6.قابلیتهای کلیدی PCM ها در برداشت انرژی:
منبع حرارتی
کاهش وابستگی به باتری
پتانسیل مقیاسپذیری
7.سطوح هوشمند قابل پیکربندی مجدد (RIS)برای ارتباطات آینده IoT
مواد (PCM) به طور فعال برای پتانسیلشان در توسعه نسل بعدی دستگاههای فرکانس رادیویی (RF) و اپتوالکترونیک، از جمله سطوح هوشمند قابل پیکربندی مجدد (RIS)، مورد بررسی قرار میگیرند. فناوری RIS امکان دستکاری دینامیکی فاز، دامنه، فرکانس، و حتی قطبش سیگنالهای الکترومغناطیسی ورودی را فراهم میکند، بدون نیاز به عملیات پیچیده پردازشی.
پلتفرمهای مبتنی بر دیاکسید وانادیم (VO2) و مواد کالکوژنید برای کاربردهای RIS بسیار امیدوارکننده هستند. VO2 تحت یک گذار فلز-عایق (MIT) قرار میگیرد که میتواند برای ایجاد سطوح قابل پیکربندی مجدد پویا جهت مدوله و هدایت امواج الکترومغناطیسی (از جمله در طیف 5G) استفاده شود. مواد کالکوژنید نیز به دلیل تغییرات چشمگیرشان در خواص الکترونیکی و نوری و تغییر سریع، برگشتپذیر و "پایدار" بین حالتهای بلورین و بیشکل (آمورف)، قابلیتهای تنظیم فعال را ارائه میدهند.
یکپارچهسازی PCM ها در فناوری RIS پتانسیل ایجاد "محیطهای رادیویی هوشمند (SREs)" گسترده را دارد. SREها میتوانند بازده طیفی را به طور قابل توجهی افزایش دهند و منجر به بهبود عملکرد سیستم و کاهش تداخل سیگنال شوند. این یک تغییر پارادایم بنیادی در اتصال IoT را نشان میدهد: از ارتباطات غیرفعال به یک ساختار بیسیم هوشمند، تطبیقپذیر و کارآمد از نظر انرژی.
علاوه بر این، توانایی RIS در کنترل دقیق امواج الکترومغناطیسی پیامدهای عمیقی برای "حسگری پیشرفته" در IoT دارد. با شکلدهی و هدایت فعال امواج رادیویی، PCM-RIS میتواند اشکال پیچیدهتری از درک محیطی، مانند رادار با وضوح بالا، مکانیابی دقیق، یا حتی تشخیص ژست بدون تماس را فعال کند.
" پیشرفتها و نوآوریها در فناوری PCM برای IoT"
تحقیقات و توسعه در زمینه PCM ها به سرعت در حال پیشرفت است و نوآوریهای چشمگیری را به ارمغان آورده است:
1. دستاوردهای اخیر در علم مواد
دوپینگ و آلیاژسازی (Doping and Alloying): اصلاح ترکیبات PCM از طریق دوپینگ میتواند پایداری فاز آمورف را در دستگاههای حافظه بهبود بخشد و حفظ داده را افزایش دهد. طراحی آلیاژهای جدید مانند CrTe3 برای کاهش خزش مقاومت در محاسبات نورومورفیک در حال توسعه است.
یکپارچهسازی نانومواد (Nanomaterials Integration): ترکیب نانومواد (مانند گرافن، نانولولههای کربنی) میتواند فوقتبرید را کاهش دهد، هدایت حرارتی PCM ها را افزایش دهد و به عنوان سایتهای هستهزایی برای رشد بلورین کارآمدتر عمل کند.
مواد PCM زیستی (Bio-based PCMs): توسعه این جایگزینهای دوستدار محیط زیست از منابع تجدیدپذیر، نشاندهنده گرایش به سمت انتخاب مواد آگاهتر به محیط زیست در راهحلهای مدیریت حرارتی است.
2.تکنیکهای بهبود (Enhancement Techniques)
تکنیکهای مختلفی برای بهبود عملکرد PCM در حال توسعه هستند:
میکروکپسولاسیون (Microencapsulation): کپسولهسازی PCM در داخل پوستههای محافظ که از نشت جلوگیری کرده و سازگاری شیمیایی را بهبود میبخشد.
تشکیل کامپوزیت (Composite Formation): ترکیب PCM ها با سایر مواد (پلیمرها، سرامیکها، فلزات) برای افزایش خواص حرارتی و مکانیکی کلی.
غلیظسازی و ژلسازی (Thickening and Gelling): افزایش ویسکوزیته برای کاهش سرعت جدایش فاز و بهبود پایداری.
حاملهای متخلخل (Porous Carriers): استفاده از مواد متخلخل برای نگهداری PCM ها از طریق نیروهای مویینگی و کاهش خطرات نشت.
قابلیت تنظیم دینامیکی (Dynamic Tunability): تنظیم دماهای گذار PCM با استفاده از محرکهای خارجی (مانند یونها) برای ذخیرهسازی و آزادسازی انرژی حرارتی کارآمدتر.
3.پیشرفت در روشهای ساخت و یکپارچهسازی
پیشرفتها در روشهای نوین لایهنشانی (deposition methods) و معماریهای حافظه جدید برای بهبود مستمر و پذیرش گسترده دستگاههای حافظه PCM حیاتی هستند. همچنین، یکپارچهسازی فعال فناوری PCM در سیستمهای ذخیره انرژی حرارتی پیشرفته، به ویژه در کاربردهای مقیاس بزرگ مانند نیروگاههای خورشیدی حرارتی، نشاندهنده یک روند رو به رشد به سمت راهحلهای مدیریت انرژی کارآمدتر است.
"چالشهای یکپارچهسازی و مقیاسپذیری"
1-پیچیدگیهای ساخت (Manufacturing Complexities)
2-قابلیت اطمینان و دوام طولانیمدت (Long-term Reliability and Durability)
3-مقرونبهصرفه بودن (Cost-Effectiveness)
4-قابلیت همکاری با معماریهای موجود (Interoperability with Existing Architectures)
مسیرهای تحقیقاتی آینده
تحقیقات و توسعه آینده برای PCMs در IoT باید بر چندین حوزه کلیدی متمرکز باشد:
1-کشف و مهندسی مواد جدید
2- سیستمهای هیبریدی و چندمنظوره
3- بهینهسازی و مدیریت با کمک هوش مصنوعی
4-شبکههای حسگر خودمختار و هوش لبه
5-ساخت پیشرفته و فاکتورهای شکل
6-طراحی و مدلسازی سیستم جامع
7-درک بنیادی مکانیزمهای گذار
" آیندهای هوشمندتر و پایدارتر با PCM ها"
مواد (PCM) نه تنها یک فناوری نوین هستند، بلکه یک سنگ بنای استراتژیک برای تکامل به سمت راهحلهای IoT هوشمندتر، خودمختارتر و کممصرفتر محسوب میشوند. قابلیتهای بینظیر آنها در مدیریت حرارتی، ذخیرهسازی دادههای پایدار، برداشت انرژی و فعال کردن پارادایمهای محاسباتی نوین، این مواد را در قلب انقلاب IoT قرار میدهد.
با وجود چالشهایی که در مسیر پذیرش گسترده آنها وجود دارد، تحقیقات و نوآوریهای مداوم در علم مواد، تکنیکهای بهبود، و روشهای ساخت و یکپارچهسازی، نویدبخش غلبه بر این موانع هستند. تمرکز بر بهینهسازی چندبعدی، سیستمهای هیبریدی و چندمنظوره، و درک عمیقتر از مکانیزمهای بنیادی، مسیری روشن را برای آینده PCM ها ترسیم میکند.
در نهایت، با رشد روزافزون تقاضا برای پایداری و کارایی انرژی در دنیای اینترنت اشیا ، PCM ها دوستدار محیط زیست و زیستی نقش حیاتیتری ایفا خواهند کرد. PCM ها نه تنها به بهبود عملکرد دستگاهها کمک میکنند، بلکه به کاهش هزینههای عملیاتی و ایجاد یک ردپای تکنولوژیکی پایدارتر نیز منجر میشوند.
