ساخت وسایلی که با انرژی امواج صوتی کار می‌کنند، محقق می‌شود

نانو مواد در خدمت وسایل خود مولد

تلفن همراهی را تصور کنید که بدون نیاز به منبع انرژی خارجی خودبه‌خود کار می‌کند و هرگز نیاز به شارژ شدن ندارد؛ زیرا امواج صوتی تولید شده توسط کاربر را به انرژی مورد نیاز برای فعالیتش تبدیل می‌کند. این فناوری آنچنان که باید دور از انتظار و بعید به نظر نمی‌رسد و در سایه تحقیقات جدیدی که از سوی دانشمندان دپارتمان مهندسی شیمی دانشگاه تگزاس صورت گرفته، جامه‌عمل می‌پوشد.

کد خبر: ۲۳۰۱۶۰

این دانشمندان که کانون تحقیقاتشان بر فناوری نانو استوار است، با بهره‌گیری از موادی که در قلمرو علم شیمی مواد تحت عنوان پیزوالکتریک شناخته می‌شوند، دست به کشف چشمگیری در حوزه تولید و برداشت قدرت زده‌اند. این عرصه هدف توسعه دستگاه‌ها و وسایل خود توانی است که نیازمند منابع تغذیه قابل تعویض انرژی نظیر باتری‌ها نیستند.

موضوع جالب توجه درباره این فناوری نوین، این است که گروه تحقیقاتی به اتفاق همکارانی از دانشگاه هوستون دریافته‌اند نوع معینی از مواد پیزوالکتریک قادر است با افزایشی 100 درصدی انرژی را تبدیل کند و این زمانی است که در اندازه‌ای بسیار کوچک ساخته شود و درخصوص این پروژه، به ساخت ضخامتی حدود 21 نانومتر می‌رسد. به اعتقاد این دانشمندان، زمانی که مواد در اندازه‌ای بزرگ‌تر یا کوچک‌تر از این اندازه بخصوص ساخته می‌شوند، کاهش معنی‌داری در قابلیت تبدیل‌کنندگی انرژی خود نشان می‌دهند. یافته‌های جدید که به تفصیل طی مقاله‌ای در مجله علمی انجمن فیزیک آمریکا (فیزیکال ریویو) برای علاقه‌مندان منتشر شده است، می‌تواند اثرات بالقوه عمیقی بر حوزه وسایل و ادوات الکترونیکی کم‌توان همچون تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، ارتباط‌دهنده‌های شخصی و دسته‌ای از سایر وسایل مرتبط با رایانه بگذارد که از سوی هر فردی از مصرف‌کننده متوسط گرفته تا ماموران اجرایی قانون و حتی سربازان حاضر در جبهه‌های نبرد مورد استفاده قرار می‌گیرد. بسیاری از این تجهیزات و وسایل دارای فناوری پیشرفته حاوی مولفه‌ها و اجزایی هستند که در مقیاس نانو سنجیده می‌شوند و دستیابی به چنین فناوری نوینی عرصه‌های جدیدی را پیش روی دانشمندان و سازندگان تجهیزات ارتباطی و الکترونیک در زمینه‌های گوناگون و چه‌بسا حوزه محیط زیست و فناوری بازیافت مواد و منابع تغذیه انرژی قابل تعویض می‌گشاید.

به اعتقاد دانشمندان هر چند خود ماده تحت آزمایش و بررسی، کوچک است، اما می‌تواند تاثیر بزرگی بگذارد. در واقع این کشف جدید موجب پیشرفت در حوزه‌ای از مطالعات می‌شود که متوجه اقبال روزافزون جامعه و در نتیجه تقاضای مصرف‌کنندگان برای وسایل بیسیم و قابل حمل فشرده با عمر طولانی است. مساله عمر باتری‌ها کماکان دغدغه اصلی وسایل مردم‌پسند و رایجی همچون ام‌پی‌تری پلیرها و گوشی‌های تلفن همراه است، اما جدا از راحتی و تسهیلاتی که فناوری وسایل خود شارژ برای مصرف‌کنندگان به همراه دارد، این فناوری مورد توجه جدی برخی آژانس‌های دولتی نیز قرار گرفته است. به عنوان نمونه، آژانس پروژه‌های پیشرفته تحقیقات دفاعی در ایالات متحده روی روش‌هایی سرمایه‌گذاری کرده که برای سربازان حاضر در میدان جنگ طراحی شده است. فناوری موردنظر تولید نیرو برای تجهیزات قابل حمل سربازان از طریق کسب انرژی از راه رفتن است. استفاده از حسگرهایی نظیر حسگرهای مورد استفاده برای ردیابی و کشف مواد منفجره در ساز و برگ سربازان باعث می‌شود فناوری خود مولد به میزان قابل توجهی موجب کاهش نیاز به امتحان کردن و تعویض باتری‌ها در تجهیزات شده و تمرکز و امنیت بیشتری را برای سربازان در بحبوحه جنگ به همراه داشته باشد.

محققان معتقدند حتی اختلالات و پارازیت‌هایی در شکل امواج صوتی از قبیل امواج فشاری در گازها، مایعات و جامدات ممکن است برای تامین انرژی و خود مولد نمودن وسایل و ادوات در مقیاس نانو و میکروی آینده به کار گرفته شود. البته به شرطی که این مواد به طور مناسب و مقتضی برای این منظور فرآیندسازی و ساخته شوند. هر چه باشد کلید این فناوری در دستان مواد پیزوالکتریک است. این اصطلاح از واژه یونانی پیزوین به معنی فشار دادن مشتق شده و پیزوالکتریک‌ها (معمولا کریستال‌ها یا سرامیک‌ها) موادی هستند که وقتی در معرض شکلی از فشار مکانیکی قرار گیرند، تولید ولتاژ می‌کنند و بعکس زمانی که در معرض میدانی مغناطیسی قرار گیرند تغییری در خصوصیات فیزیکی خود بروز می‌دهند. پیزوالکتریک توسط دانشمندان فرانسوی در دهه 1880 میلادی کشف شد و مفهوم جدیدی به شمار نمی‌رود. این مواد نخستین بار در وسایل حسگر طی جنگ جهانی اول به کار گرفته شدند و امروزه می‌توان آنها را در میکروفن‌ها و ساعت‌های بسیار دقیق (کوارتز) پیدا کرد. نمونه‌ای ازمکانیسم این مواد در یک فندک ساده دیده می‌شود: فشردن ماشه موجب اثری روی یک کریستال پیزوالکتریک می‌شود و به نوبه خود ولتاژ کافی برای ایجاد جرقه و اشتعال گاز را تولید می‌کند. در مقیاس بزرگ‌تر می‌توان به کف سالن‌های ورزشی اشاره کرد که با جذب و تبدیل انرژی ناشی از جای پای افراد، به تامین برق برای روشنایی سالن کمک می‌کنند. البته در کنار پیشرفت‌های رو به رشد در زمینه چنین کاربردهایی، کار روی مواد پیزوالکتریک در مقیاس نانو تلاش نسبتا جدیدی است که باید جنبه‌های مختلف و پیچیده آن مورد توجه قرار گیرد. تصور کنید زمانی که قرار است با موادی در اندازه و شکل یک دکل تلفن کار شود و با همان مواد باید در اندازه تار مویی سروکار داشت. به اعتقاد محققان، وقتی چنین تغییر چشمگیری در مقیاس رخ می‌دهد، مواد به طور متفاوتی واکنش نشان می‌دهند. درباره این فناوری نیز چیزی به اندازه یک تار مو برای تغییرپذیری از محیط پیرامونش انعطاف‌پذیرتر و مستعدتر و کار کردن در این مقیاس مستلزم در نظر گرفتن انواع تغییرات است. زمانی که مواد پیزوالکتریک در ابعاد نانو ساخته می‌شوند، خواصشان برای برخی عملکردهای مشخص شده به طور چشمگیری تغییر می‌کند. زمانی که این مواد به مقیاس طولی خاصی برده شوند مثلا بین 20 و 23 نانومتر ظرفیت برداشتی انرژی عملا تا 100 درصد بهبود بخشیده می‌شود و این همان نتیجه‌ای است که می‌تواند منجر به ساخت تجهیزات الکترونیکی خود مولد و بی‌نیاز از شارژ شود.

محققان با مطالعه روی قوانین بنیادی طبیعت نظیر علم فیزیک و تلاش برای کاربردی کردن آن در جهت توسعه بهتر دانش مهندسی مواد به دنبال بهره‌گیری از ساختار شیمیایی و فیزیکی ترکیبات کامپوزیت و چگونگی دستکاری این ساختارها هستند تا بتوانند عملکرد این دسته از مواد را بهبود بخشند.