وقتی نور و فشار همزمان برق تولید می کنند
به گزارش نئوپدیا، دانشمندان اخیرا موفق به ساخت نوعی «نانوژنراتور انعطاف پذیر» شده اند، دستگاهی خیلی باریک که با فشردن یا کشیدن خود می تواند برق تولید نماید. این فناوری بر پایه ترکیب نوآورانه دو ماده نانویی ساخته شده است: لایه های اتمی بروفین و دی سولفید مولیبدن. نتیجه کار یک ساختار دو بعدی است که ظرفیت تولید ولتاژ تا ۲۲ ولت را دارد و با این وجود می تواند جریان قابل توجهی تامین کند.
به گزارش نئوپدیا به نقل از ایسنا، این موفقیت قدمی مهم در راه ساخت حسگرها و دستگاههای الکترونیکی خودتوان (self-powered) و منعطف است که می تواند آینده گجت های پوشیدنی و سنسورهای نوری را دگرگون کند.
در دنیای امروز، تقاضا برای دستگاههای الکترونیکی سبک، منعطف و خودکفا مثل ساعتهای هوشمند، سنسورهای پوشیدنی یا سنجش گرهای محیطی روز به روز بیشتر می شود. اما تامین برق این گجت ها اغلب به باتری یا منبع خارجی وابسته است که وزن، حجم و احتیاج به شارژ را زیاد می کند. محققان در جست وجوی راه هایی هستند تا این دستگاهها بتوانند از انرژی محیط مثل حرکات کوچک بدن، ارتعاشات یا فشار محیط، برق تولید کنند. اینجاست که نانومواد و خاصیت «پیزوالکتریک» وارد صحنه می شوند: موادی که با تغییر شکل مکانیکی (فشار، خم شدن) بار الکتریکی تولید می کنند. ساختن یک «نانوژنراتور» (nanogenerator) با چنین مواد دو بعدی پیشرفته می تواند امکان تولید برق پایدار و قابل اعتماد از حرکات ساده را فراهم آورد و همین، کلید ورود به نسل جدید دستگاههای خود-توان و خیلی سبک است.
اما رسیدن به چنین دستگاهی کار ساده ای نیست: ماده باید هم منعطف باشد، هم واکنش پذیری الکتریکی خوب داشته باشد، هم ساختارش پایدار و قابل تولید باشد. پژوهش تازه ای که در مجله Communications Materials پخش شده، دقیقاً چنین دستاوردی را گزارش می دهد.
در این پروژه، محققان ابتدا لایه های نانویی از MoS₂ و بوروفین تولید کرده اند. MoS₂ از پیش ماده ای شناخته شده در میان مواد دو بعدی است: لایه هایی خیلی نازک که در آن اتم های مولیبدن (Mo) بین دو صفحه از گوگرد (S) قرار دارند و لایه ها با نیروی ضعیف «وان دروالز» کنار هم نگه داشته می شوند.
اما بوروفین ماده ای جدیدتر است: یک ورقه اتمی خیلی سبک از بور که ساختار ویژه ای دارد با ترکیب اشکال مثلثی و شش ضلعی و تلفیقی از خواص جالب: استقامت بالا، انعطاف پذیری، سبکی و در بعضی ساختارها، توانایی رسانایی الکتریکی.
مهم ترین نکته این است: محققان این دو ماده را نه به شکل جداگانه، بلکه با هم «آمیخته» کرده اند و یک «heterostructure» دوبعدی بر پایه لایه های نانویی بوجود آورده اند. در این ساختار، لایه های MoS₂ و بوروفین با نیروی ضعیف واندروالس روی هم قرار گرفته اند، یعنی بدون احتیاج به تطابق دقیق کریستالی در سطح اتمی و با حفظ خواص ویژه هر لایه. به کمک میکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک بالا و طیف نگاری رامان، پژوهشگران ثابت کردند که این لایه ها به درستی روی هم سوار شده اند و علاوه بر خاصیت های هر ماده، خاصیت های جدیدی در سطح مشترک آنها ظاهر شده است.
بعد از ساخت این ساختار نانویی، این تیم تحقیقاتی آنرا در چارچوب یک نانوژنراتور منعطف روی زیرلایه ای از پلاستیک (PET) و با ماتریس پلیمری (PDMS) ساختند. این دستگاه با فشردن یا اعمال فشار عمودی (مثلاً با وزن ۱ کیلوگرم) توانست ولتاژی تا ۲۲ ولت و چگالی جریان ۳۴ میکروآمپر بر سانتی متر مربع تولید نماید، یعنی عملکردی حدودا ده برابر بهتر از هر کدام از مواد اولیه به تنهایی.
علاوه بر این، بازده تبدیل انرژی این دستگاه حدود ۳۷ درصد گزارش شده است، عددی خیلی بالا برای یک نانوژنراتور.
اما نکته جالب تر: وقتی این نانوژنراتور تحت فشار مکانیکی و با این حال در معرض نور فرابنفش (UV) قرار گرفت، خروجی آن بطور قابل توجهی افزایش پیدا کرد. این یعنی ساختار heterostructure نه فقط برای تولید برق از فشار، بلکه برای کاربرد بعنوان «سنسور خود-توان حساس به نور» نیز مناسب می باشد.
علت این تقویت عملکرد تحت نور هم در ترکیب خاص این دو ماده نهفته است: MoS₂ حدودا نیمه هادی نوع n و بوروفین نیمه هادی نوع p هستند، ازاین رو وقتی کنار هم قرار می گیرند، یک « پیوند p–n » تشکیل می شود که موجب جداسازی کارآمد الکترون ها و حفره ها می شود. تحت فشار، «پیزوپتانسیل» ایجاد می شود و تحت نور UV نیز جفت الکترون-حفره تولید می شود و این ترکیب منجر به خروجی بالا و قوی می شود.
همین طور مطالعات نشان داده اند که در این heterostructure، «گپ انرژی» (band gap) نسبت به مواد اولیه کم شده است، یعنی انرژی ضروری جهت انتقال الکترون کم شده است. این امر به بهبود انتقال بار الکتریکی کمک کرده، احتمالا یکی از فاکتورهای مؤثر در خروجی بالای نانوژنراتور است.
پژوهش انجام شده در مؤسسه CSIR-AMPRI با ترکیب borophene و MoS₂ در چارچوب یک ساختار ۲ بعدی heterostructure۶ نشان داد که میتوان نانوژنراتوری منعطف، کارآمد و خودتوان ساخت. این نانوژنراتور با فشار ساده توانایی تولید ولتاژ و جریان مناسب دارد و تحت نور UV حتی خروجی اش بهتر می شود یعنی می تواند به سنسورهای نور و فشار بدون باتری تبدیل گردد. این کار قدمی مهم به سوی گجت ها و سنسورهای آینده است: سبک، منعطف، خودتوان و با عملکرد بالا.
منبع: نئوپدیا
این مطلب نئوپدیا را می پسندید؟
(1)
(0)
تازه ترین مطالب مرتبط
نظرات بینندگان در مورد این مطلب