- الثلاثاء إبريل 30, 2013 8:34 am
#61412
قدم الباحثون نموذجا اوليا لمحرك فائق الصغر (يقاس بوحدات النانومتر
nanometer = واحد على مليار من المتر)
بامكانه ان ينتج طاقة مستمرة من التيار الكهربائي المستمر DC عن طريق "حصاد" الطاقة الميكانيكية من المصادر البيئية مثل الامواج فوق الصوتية، والذبذبات الحركية، وجريان الدم.
ويمكن تتألف المحركات النانوية nanogenerators من مصفوفات من الاسلاك المتناهية في الصغر، مصنوعة من اوكسيد الخارصين، وهي تتحرك بشكل متعرج داخل لوح موصل كهربائي. هذه المحركات تمثل طريقة جديدة في توفير الطاقة للاجهزة الفائقة الصغر، والتي تقاس بوحدات النانو، بدون بطاريات او اي مصدر طاقة خارجي.
يقول زهون لين وانغ، استاذ مساعد في كلية المواد العلمية والهندسية بمعهد جيورجيا التقني: "هذه خطوة رئيسة باتجاه تقنية متنقلة ومتكيفة وفعالة اقتصاديا من اجل توفير الطاقة للمعدات النانوية. لقد كان هناك اهتمام واسع في صناعة الاجهزة النانوية، ولكننا لم نكن نفكر في كيفية توفير الطاقة لها. ان محركنا النانوي يسمح لنا بحصاد او اعادة تدوير الطاقة من مصادر متعددة من اجل توفير الطاقة لهذه المعدات".
تستغل المحركات النانوية اثنتين من الخصائص الفريدة لاوكسيد الخارصين: قابلية انتاج شحنة كهربائية، وكونها من اشباه الموصلات، مما يسمح بانتاج شحنة كهربائية صغيرة عندما يتم ليّها او تمديدها. يبدأ الانتاج بانشاء مصفوفة من الاسلاك النانوية الموضوعة بشكل عمودي بفارق نصف مايكرون (واحد على مليون من المتر) بين الواحدة والاخرى على لوح حاضن من زرنيخ الغاليوم، او الصفيري (اوكسيد الالمنيوم)، او بوليمر مرن. يتم زرع طبقة من اوكسيد الخارصين في قمة اللوح الحاضن لجمع التيار. كما صنع الباحثون اقطاب توصيل من السليكون على شكل متعرج، وهي تحتوي على الالاف من الرؤوس النانوية والتي تم تحويلها الى موصلات عن طريق تغطيتها بالبلاتين. ثم يوضع القطب الكهربائي تحت مصفوفة الاسلاك النانوية مع ترك مجال كاف لعدد كبير من الاسلاك للتمدد بحرية خلال الفجوة بين الرؤوس. وحينما تتحرك الاسلاك تحت تأثير الطاقة الميكانيكية، مثل الموجات او الذبذبات، تلامس الاسلاك الدقيقة الرؤوس دوريا مما يؤدي الى نقل شحنتها الكهربائية. ومن خلال التقاط هذه الكميات الضئيلة من التيار والتي تنتجها المئات من الاسلاك النانوية المتحركة، ينتج المحرك تيارا مستمرا يقاس بالنانو امبير.
يتوقع وانغ واعضاء فريقه ان محركهم فائق الصغر، حينما يصل الى افضل اداء، سيكون قادرا على انتاج 4 واط لكل سنتيمتر مكعب، استنادا الى الحسابات التي اجريت على سلك نانوي واحد. ان هذه الكمية تعد كافية لتشغيل مدىً واسعا من الاجهزة النانوية المستخدمة لاغراض الدفاع، والبيئة، والعلاج الطبي-الحيوي، بضنمها المتحسسات الحيوية، واجهزة الرقابة البيئية، وحتى الروبوتات فائقة الصغر.
وكان فريق يونغ البحثي قد اعلن قبل عام تقريبا عن مبدأ المحركات النانوية. وفي ذلك الوقت كان المحرك يستحصل الطاقة من سلك نانوي واحد في المرة الواحدة عن طريق جر مسبار فوقه. يعمل المسبار على تجميع الشحنة الكهربائية حينما يتمدد السلك، ويضمن سريان التيار باتجاه واحد.
ومع وجود المئات من الرؤوس الموصلة يعمل القطب الكهربائي المتعرج على تجميع الشحنة الناتجة عن المئات او الالاف من الاسلاك بشكل متزامن، حاصدا الطاقة من مصفوفة الاسلاك الدقيقة. يقول وانغ: "ان انتاج الاقطاب العلوية كمجموعة واحدة يمثل تقدما باتجاه رفع مستوى التقنية. نستطيع الان ان نرى الخطوات الواجب اتباعها للمضي قدما باتجاه معدات يمكنها حقا توفير الطاقة الى التطبيقات شديدة الصغر".
وقبل حدوث ذلك ينبغي اجراء تطوير اضافي للوصول الى افضل انتاج للتيار. على سبيل المثال، فانه على الرغم من الاسلاك النانوية يمكن ان توضع بطول متساوٍ تقريبا (حوالي مايكرون واحد) فان هناك بعض التغايرات. الاسلاك القصيرة اكثر من المطلوب لا تلامس القطب الكهربائي، فلا تنتج تيارا، بينما لا تستطيع الطويلة ان تتمدد لانتاج الشحنة الكهربائية.
يقول وانغ: "يجب ان نكون اكثر قدرة على التحكم بزرع الاسلاك وكثافتها وتجانسها. نحن نعتقد ان بامكاننا ان نجعل مليون او حتى مليار من الاسلاك النانوية تنتج تيارا في وقت متزامن. سوف يساعدنا ذلك في الوصول الى افضل اداء للمحرك النانوي".وجه الباحثون في المختبر مصدرا للموجات فوق الصوتية على محركهم النانوي لقياس التيار الكهربائي الخارج لاكثر من ساعة. يقول يونغ انه على الرغم من وجود بعض التقطعات في التيار الخارج الا ان انتاج الكهرباء كان متواصلا طالما كان مولد الامواج فوق الصوتية مستمرا في العمل.
ولغرض ابعاد تأثير المصادر الاخرى على قياس التيار، استعمل الباحثون انابيب الكربون الدقيقة، وهي غير قادرة على انتاج الشحنة الكهربائية، عوضا عن اسلاك اوكسيد الخارصين الدقيقة. كما استعملوا رؤوس اقطاب مسطحة. وفي الحالتين لم يتم انتاج اي تيار كهربائي.
لقد كان توفير الطاقة الى المعدات بالمقياس النانوي تحديا على دوام. فالبطاريات والمصادر الشائعة الاخرى كبيرة جدا، مما يؤدي الى التقليل من مميزات الحجم للمعدات الدقيقة جدا. وطالما كانت البطاريات تحتوي على مواد سامة مثل الليثيوم والكادميوم، فانها لا يمكن ان تزرع في الجسم كجزء من تطبيق علاجي-حيوي.
وبما ان اوكسيد الخارصين هو غير سام وملائم للجسم، فان المحركات النانوية يمكن توُسع لتشمل معدات ذات استخدام طبي وقابلة للزرع، بحيث تقيس لاسلكيا سريان الدم وضغط الدم داخل الجسم. كما يمكن ان تستخدم في المزيد من الطبيقات العادية.
يعلق يونغ قائلا: "اذا كان لك جهاز مماثل في حذائك حينما تسير فسيكون بمقدورك ان تولد تيارا صغيرا يكفي لتشغيل معدات الكترونية صغيرة. اي شيء يمكنه ان يحرك الاسلاك النانوية داخل المولد يمكن استخدامه لانتاج الطاقة. ان تحريكها لا يتطلب سوى قوة صغيرة جدا".
nanometer = واحد على مليار من المتر)
بامكانه ان ينتج طاقة مستمرة من التيار الكهربائي المستمر DC عن طريق "حصاد" الطاقة الميكانيكية من المصادر البيئية مثل الامواج فوق الصوتية، والذبذبات الحركية، وجريان الدم.
ويمكن تتألف المحركات النانوية nanogenerators من مصفوفات من الاسلاك المتناهية في الصغر، مصنوعة من اوكسيد الخارصين، وهي تتحرك بشكل متعرج داخل لوح موصل كهربائي. هذه المحركات تمثل طريقة جديدة في توفير الطاقة للاجهزة الفائقة الصغر، والتي تقاس بوحدات النانو، بدون بطاريات او اي مصدر طاقة خارجي.
يقول زهون لين وانغ، استاذ مساعد في كلية المواد العلمية والهندسية بمعهد جيورجيا التقني: "هذه خطوة رئيسة باتجاه تقنية متنقلة ومتكيفة وفعالة اقتصاديا من اجل توفير الطاقة للمعدات النانوية. لقد كان هناك اهتمام واسع في صناعة الاجهزة النانوية، ولكننا لم نكن نفكر في كيفية توفير الطاقة لها. ان محركنا النانوي يسمح لنا بحصاد او اعادة تدوير الطاقة من مصادر متعددة من اجل توفير الطاقة لهذه المعدات".
تستغل المحركات النانوية اثنتين من الخصائص الفريدة لاوكسيد الخارصين: قابلية انتاج شحنة كهربائية، وكونها من اشباه الموصلات، مما يسمح بانتاج شحنة كهربائية صغيرة عندما يتم ليّها او تمديدها. يبدأ الانتاج بانشاء مصفوفة من الاسلاك النانوية الموضوعة بشكل عمودي بفارق نصف مايكرون (واحد على مليون من المتر) بين الواحدة والاخرى على لوح حاضن من زرنيخ الغاليوم، او الصفيري (اوكسيد الالمنيوم)، او بوليمر مرن. يتم زرع طبقة من اوكسيد الخارصين في قمة اللوح الحاضن لجمع التيار. كما صنع الباحثون اقطاب توصيل من السليكون على شكل متعرج، وهي تحتوي على الالاف من الرؤوس النانوية والتي تم تحويلها الى موصلات عن طريق تغطيتها بالبلاتين. ثم يوضع القطب الكهربائي تحت مصفوفة الاسلاك النانوية مع ترك مجال كاف لعدد كبير من الاسلاك للتمدد بحرية خلال الفجوة بين الرؤوس. وحينما تتحرك الاسلاك تحت تأثير الطاقة الميكانيكية، مثل الموجات او الذبذبات، تلامس الاسلاك الدقيقة الرؤوس دوريا مما يؤدي الى نقل شحنتها الكهربائية. ومن خلال التقاط هذه الكميات الضئيلة من التيار والتي تنتجها المئات من الاسلاك النانوية المتحركة، ينتج المحرك تيارا مستمرا يقاس بالنانو امبير.
يتوقع وانغ واعضاء فريقه ان محركهم فائق الصغر، حينما يصل الى افضل اداء، سيكون قادرا على انتاج 4 واط لكل سنتيمتر مكعب، استنادا الى الحسابات التي اجريت على سلك نانوي واحد. ان هذه الكمية تعد كافية لتشغيل مدىً واسعا من الاجهزة النانوية المستخدمة لاغراض الدفاع، والبيئة، والعلاج الطبي-الحيوي، بضنمها المتحسسات الحيوية، واجهزة الرقابة البيئية، وحتى الروبوتات فائقة الصغر.
وكان فريق يونغ البحثي قد اعلن قبل عام تقريبا عن مبدأ المحركات النانوية. وفي ذلك الوقت كان المحرك يستحصل الطاقة من سلك نانوي واحد في المرة الواحدة عن طريق جر مسبار فوقه. يعمل المسبار على تجميع الشحنة الكهربائية حينما يتمدد السلك، ويضمن سريان التيار باتجاه واحد.
ومع وجود المئات من الرؤوس الموصلة يعمل القطب الكهربائي المتعرج على تجميع الشحنة الناتجة عن المئات او الالاف من الاسلاك بشكل متزامن، حاصدا الطاقة من مصفوفة الاسلاك الدقيقة. يقول وانغ: "ان انتاج الاقطاب العلوية كمجموعة واحدة يمثل تقدما باتجاه رفع مستوى التقنية. نستطيع الان ان نرى الخطوات الواجب اتباعها للمضي قدما باتجاه معدات يمكنها حقا توفير الطاقة الى التطبيقات شديدة الصغر".
وقبل حدوث ذلك ينبغي اجراء تطوير اضافي للوصول الى افضل انتاج للتيار. على سبيل المثال، فانه على الرغم من الاسلاك النانوية يمكن ان توضع بطول متساوٍ تقريبا (حوالي مايكرون واحد) فان هناك بعض التغايرات. الاسلاك القصيرة اكثر من المطلوب لا تلامس القطب الكهربائي، فلا تنتج تيارا، بينما لا تستطيع الطويلة ان تتمدد لانتاج الشحنة الكهربائية.
يقول وانغ: "يجب ان نكون اكثر قدرة على التحكم بزرع الاسلاك وكثافتها وتجانسها. نحن نعتقد ان بامكاننا ان نجعل مليون او حتى مليار من الاسلاك النانوية تنتج تيارا في وقت متزامن. سوف يساعدنا ذلك في الوصول الى افضل اداء للمحرك النانوي".وجه الباحثون في المختبر مصدرا للموجات فوق الصوتية على محركهم النانوي لقياس التيار الكهربائي الخارج لاكثر من ساعة. يقول يونغ انه على الرغم من وجود بعض التقطعات في التيار الخارج الا ان انتاج الكهرباء كان متواصلا طالما كان مولد الامواج فوق الصوتية مستمرا في العمل.
ولغرض ابعاد تأثير المصادر الاخرى على قياس التيار، استعمل الباحثون انابيب الكربون الدقيقة، وهي غير قادرة على انتاج الشحنة الكهربائية، عوضا عن اسلاك اوكسيد الخارصين الدقيقة. كما استعملوا رؤوس اقطاب مسطحة. وفي الحالتين لم يتم انتاج اي تيار كهربائي.
لقد كان توفير الطاقة الى المعدات بالمقياس النانوي تحديا على دوام. فالبطاريات والمصادر الشائعة الاخرى كبيرة جدا، مما يؤدي الى التقليل من مميزات الحجم للمعدات الدقيقة جدا. وطالما كانت البطاريات تحتوي على مواد سامة مثل الليثيوم والكادميوم، فانها لا يمكن ان تزرع في الجسم كجزء من تطبيق علاجي-حيوي.
وبما ان اوكسيد الخارصين هو غير سام وملائم للجسم، فان المحركات النانوية يمكن توُسع لتشمل معدات ذات استخدام طبي وقابلة للزرع، بحيث تقيس لاسلكيا سريان الدم وضغط الدم داخل الجسم. كما يمكن ان تستخدم في المزيد من الطبيقات العادية.
يعلق يونغ قائلا: "اذا كان لك جهاز مماثل في حذائك حينما تسير فسيكون بمقدورك ان تولد تيارا صغيرا يكفي لتشغيل معدات الكترونية صغيرة. اي شيء يمكنه ان يحرك الاسلاك النانوية داخل المولد يمكن استخدامه لانتاج الطاقة. ان تحريكها لا يتطلب سوى قوة صغيرة جدا".
