تحولی‌ نوین ‌برای ‌تولید ‌‌انرژی ‌در‌ ابعاد ‌‌نانو‌

اما امروزه محققان پس از گذشت سال‌ها از آن زمان در تلاش هستند تا بتوانند قطعات بسیار کوچکی را برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز ابزارها و وسایلی که در ابعاد نانو ساخته شده‌اند، طراحی کنند. این نیروگاه‌های کوچک نانومتری در حقیقت نانو ژنراتورهایی هستند که می‌توان از آنها برای تامین انرژی حسگرهای زیستی ساخته شده برای اندازه‌گیری مداوم سطح گلوکز خون بیماران که از قابلیت قرارگیری در داخل اعضای بدن برخوردارند یا حسگرهای مقاومتی که در برخی از سازه‌ها به عنوان قطعه ارتباطی به کار می‌روند و همچنین زیست‌محیطی برای ردیابی مواد سمی موجود در محیط استفاده کرد تا نیاز به تعویض باتری نداشته باشند. منابع تامین انرژی یکی از اجزای جدایی‌ناپذیر صنعت رباتیک ریز، سیستم الکترومکانیکی، سیستم‌های امنیتی و همچنین وسایلی الکترونیکی شخصی قابل حمل هستند. محققان همواره مسیرهای متفاوتی را برای تولید انرژی در مقیاس‌های بسیار کوچک مورد بررسی قرار داده‌اند که این تحقیقات مجموعه‌ای از انرژی‌ها از انرژی حرکتی و ارتعاشی، تغییرات دمایی، واکنش‌‌های بیوشیمیایی تا منابع خارجی تولید انرژی مانند امواج فراصوتی و اصوات قابل شنیدن در محیط اطرافمان را در بر می‌گیرد. یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های سیستم‌ها و ابزارها در ابعاد نانو این است که اغلب به انرژی بسیار کمی نیاز دارند. اگر اندکی درباره منابع بالقوه انرژی که توسط بدن تولید می‌شود بیندیشید، متوجه خواهید شد که در نتیجه انجام اعمال حیاتی در بدن انسان مجموعه‌ای از انرژی‌های حرکتی، گرمایی، نوسانی، شیمیایی و هیدرولیکی ناشی از فعالیت سیستم‌های وابسته به گردش خون تولید می‌شود. اگر بتوانیم این انرژی‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل کنیم، تنها بخش اندکی از آن می‌تواند انرژی مورد نیاز بسیاری از تجهیزات کوچک را تامین کند.

از میکروژنراتورها تا نانوژنراتورها

از دهه 90 میلادی تاکنون تلاش‌های بسیار زیادی برای تامین انرژی در صنعت نانو انجام شده که با توجه به افزایش محبوبیت ابزارهای الکترونیکی قابل حمل در میان کاربران، سرعت انجام این تحقیقات افزایش یافته است. از آنجا که مواد بلورین در اثر فشار از قابلیت تولید انرژی الکتریکی برخوردار خواهند بود، محققان موسسه فناوری ماساچوست در تلاش هستند به روشی برای بازیافت انرژی دست یابند تا بتوانند با استفاده از اثر پیزوالکتریک یا به عبارتی دیگر تولید انرژی الکتریکی در بلورها در اثر تحت فشار قرار گرفتن، انرژی مورد نیاز ابزارهای الکترونیکی را تامین کنند. با توجه به موانع موجود در تامین انرژی مورد نیاز وسایل طراحی شده در صنعت نانو، این گروه از محققان ساخت ژنراتورهایی متناسب با ابعاد ریز سیستم‌های الکترومکانیکی را هدف قرار داده‌اند. امروزه از این سیستم‌های سیلیکونی برای ساخت بسیاری از قطعات مانند شتاب‌سنج سیستم‌های کیسه هوا در اتومبیل‌ها و همچنین نازل‌های چاپگرهای جوهرافشان استفاده می‌شود که یافته‌های علم زیست‌شناسی و شیمی توانسته‌ است زمینه مناسبی را برای تامین انرژی مورد نیاز آنها فراهم کند. بتازگی محققان توانسته‌اند براساس اثر پیزوالکتریک و الکترومغناطیس مبدل‌هایی را بسازند که انرژی را از دستگاهی به دستگاه دیگر منتقل می‌کنند. در میکروژنراتورهای الکترومغناطیسی برای القای جریان الکتریکی متناوب در مدار از یک آهن‌ربا با سیم‌پیچ استفاده می‌شود. در ژنراتورهایی که با توجه به پدیده پیزوالکتریک طراحی شده‌اند قطعه‌ای دولایه از جنس تیتانات زیرکونیوم سرب در بخش میانی ژنراتور قرار می‌گیرد. وقتی نیروی جاذبه سبب خم شدن این قطعه می‌شود، لایه فوقانی این قطعه تحت تاثیر مقاومت کششی و لایه تحتانی تحت تاثیر مقاومت تراکمی قرار می‌گیرد که در نتیجه ولتاژی مثبت و منفی در این قطعه ایجاد می‌شود. با نوسان این قطعه در داخل ژنراتور جریان متناوب برقرار خواهد شد. در ماه آگوست سال 2005، این تبدیل انرژی مکانیکی به الکترونیکی مورد توجه قرار گرفت. بررسی ولتاژ خروجی ژنراتورها توسط میکروسکوپ‌های اتمی حاکی از آن است که در مراحلی از تولید جریان الکتریکی میزان انرژی خروجی به طور ناگهانی افزایش می‌یابد. بررسی‌های انجام شده نشان می‌دهد تغییر در ولتاژ خروجی نتیجه اثر پیزوالکتریک در اکسید روی است و با توجه به این می‌توان تاثیر عوامل خارجی مانند اصطکاک تماس یا دیگر پدیده‌های فیزیکی مشابه را نیز مورد تایید قرار داد.

آینده در محاصره فناوری نانو

از ژانویه سال 2007 تاکنون تلاش‌های زیادی برای بهبود کیفیت نانوژنراتورهای طراحی شده انجام شده است. از آنجا که نیمه‌رسانای به‌کار برده شده به عنوان زمینه اصلی قرارگیری رشته‌سیم‌های این ژنراتورها بسیار سفت و شکننده است، بنابراین استفاده از این نوع نانوژنراتورها در تجهیزاتی مانند حسگرهای زیستی قرار گرفته در عضلات پا و مفاصل ‌ که نیاز به جنسی انعطاف‌پذیر و قابل خم شدن دارند   امکان‌پذیر نخواهد بود.

به همین دلیل امروزه در ساخت این نوع نانوژنراتورها از مواد پلیمری رسانا استفاده می‌شود که از قابلیت سازگاری با اعضا و اندام‌های بدن انسان برخوردار هستند. آزمایش‌های انجام شده قابلیت استفاده از بسیاری مواد پلاستیکی قابل انعطاف در ساخت نانوژنراتورها را مورد تایید قرار داده است. اما از آنجا که سطح این صفحات کاملا مسطح نخواهد بود، بنابراین ممکن است اختلالاتی را در ایجاد ارتباط میان رشته‌سیم‌ها به وجود آورد. با توجه به وجود چنین موانعی، لازم است برای افزایش بازده انرژی الکتریکی تغییراتی را در ایجاد ارتباط بین سیم‌ها و فاصله میان آنها به وجود آورد.

یکی از مهم‌ترین مشکلات نانوژنراتور‌های طراحی شده عمر مفید آنهاست. عمر مفید نانوژنراتورهایی که در حال حاضر برای استفاده در صنعت نانو مورد تایید قرار گرفته‌اند،  حدود 50 ساعت است که از وجود نواقصی در طراحی آن ناشی می‌شود. اگر بتوانیم نانوسیم‌ها را در لایه نازکی از جنس طلا قرار دهیم، طلا مانند یک کاتالیست عمل کرده و بازده خروجی را افزایش می‌دهد. بلورهای اکسید روی همانند جنگل انبوهی از درختان بدون شاخه هستند.
برای افزایش استحکام و چسبندگی نانوسیم‌های مستقر روی زمینه‌ای از جنس اکسید روی باید یک لایه پلیمری را به آن اضافه کنیم. علاوه بر این برای افزایش ولتاژ خروجی می‌توانیم این ژنراتورهای بسیار کوچک را به صورت سری در کنار هم قرار دهیم تا این‌که برای افزایش جریان خروجی شبیه به آنچه در خصوص منابع متداول تامین انرژی مانند باتری یا پیل‌های سوختی مرسوم است آنها را به صورت موازی در کنار هم قرار دهیم.

جالب است بدانید که هیچ‌گاه نمی‌‌توانید از نانوژنراتورها برای تامین روشنایی ساختمان‌های مسکونی یا حتی یک چراغ‌قوه استفاده کنید. مقدار انرژی تولید شده توسط آنها بسیار ناچیز است، اما بدون تردید نانوسیم‌ها می‌توانند گزینه‌ مناسبی برای تولید انرژی مورد نیاز حسگر‌هایی باشند که لحظه به لحظه اطلاعات را جمع‌آوری کرده و در اختیار کاربر قرار می‌دهند.

محققان امیدوارند بتوانند تا پایان سال جاری از نانوژنراتورها برای جمع‌آوری و بازیافت انرژی‌های آزاد شده در محیط مانند انرژی ناشی از تغییرات فشار در لاستیک خودروها، نوسانات حرکتی وسایل نقلیه یا حتی ارتعاش سطح یک چادر باری استفاده کنند. اگر فقط اندکی به محیط اطراف خود توجه داشته باشید، پی می‌برید که در محیط اطراف ما منابع بی‌شماری از انرژی وجود دارند که ما آنها را نادیده گرفته و هرگز به دنبال راهی برای بازیافت این بخش از انرژی که به نوعی از دست رفته محسوب می‌شود، نبوده‌ایم.

سهیل امیری‌