أدى تطوير بطاريات النانو أخيرًا إلى تصغير مصادر الجهد إلى أبعاد المكونات الإلكترونية الأخرى. تم تصميم بطارية النانو بحيث تظل في حالة خاملة لمدة 15 عامًا على الأقل، وتوفر، بمجرد تنشيطها، دفعة من الطاقة عالية الكثافة.
تشارلز تشوي، مجلة ساينتفيك أمريكان
عندما تم اختراع الترانزستور في عام 1947، بدا وكأنه خليط غير مرتب من المكونات، جهاز يبلغ طوله أكثر من سنتيمتر واحد. ومنذ ذلك الحين، تقلص حجمه إلى جهاز لا يتجاوز حجم مكوناته بضع مئات من الذرات. ومن ناحية أخرى، زاد إنتاج الكهرباء من البطاريات خلال هذا الوقت بمعدل أقل 50 مرة.
مختبرات بيل، حيث تم بناء أول ترانزستور، مشغولة الآن بإعادة اختراع البطارية. الهدف هو تطبيق تقنيات تصنيع الترانزستور لإنتاج كميات كبيرة من البطاريات التي سيتم دمجها في الرقائق مع بقية مكونات الدائرة الكهربائية. الجهاز، المسمى ببطارية النانو، يقوم بتصغير مكونات معينة في الأقطاب الكهربائية إلى أبعاد نانومترية.
تم تصميم بطارية النانو بحيث تظل في حالة خاملة لمدة 15 عامًا على الأقل، وتوفر، بمجرد تنشيطها، دفعة من الطاقة عالية الكثافة. وبهذه الطريقة يمكن استخدامك، على سبيل المثال، كمصدر جهد لجهاز استشعار يراقب النشاط الإشعاعي، أو تراكم المواد الكيميائية السامة. ومن هذه الفكرة، ربما سيتم تطوير أول بطارية يمكنها أيضًا تنظيف نفسها بنفسها، عن طريق تحييد خليط المواد الكيميائية السامة بداخلها.
زراعة العشب نانومتر
نشأت بطارية النانو من غزوة Bell Labs السابقة في مجال تكنولوجيا النانو. في خريف عام 2002، شاركت شركة لوسنت تكنولوجيز، الشركة الأم لمختبرات بيل، في الاستعدادات لإطلاق اتحاد نيوجيرسي لتكنولوجيا النانو بالتعاون مع حكومة الولاية ومعهد نيوجيرسي للتكنولوجيا. وكانت الفكرة هي تقديم خدمات الشركة لممارسي تكنولوجيا النانو في الصناعة والأوساط الأكاديمية والحكومة في مجال البحث والتطوير وبناء النماذج الأولية. بدأ ديفيد بيشوب، نائب رئيس أبحاث تكنولوجيا النانو في Bell Labs، في عقد ندوات مع علماء الشركة حيث تبادلوا الأفكار حول التطبيقات المبتكرة الناشئة عن أبحاثهم والتي يمكن لأعضاء الجمعية تطويرها بشكل أكبر.
وعمل أحد العلماء في مختبرات بيل، توم كروبانكين، على العدسات السائلة الدقيقة، من النوع الشائع الاستخدام في كاميرات الهواتف اليوم. تتكون هذه العدسات من قطرات صغيرة يتغير تركيزها البصري مع تغير شكلها استجابة للجهد الكهربائي المطبق على السطح الذي توجد عليه. بسبب التغير في التوتر، ينتقل السطح من حالة يكون فيها كارهًا للماء للغاية (خاصية تسمى الكارهة الفائقة للماء) إلى حالة محبة للماء. وتسمى هذه الظاهرة "التبول الكهربائي".
Superhydrophobicity هي الخاصية المسؤولة عن سقوط قطرات المطر على ريش البط وأوراق نبات اللوتس. يؤدي التوتر السطحي إلى تكثيف القطرات السائلة، لكن المادة الصلبة التي تهبط عليها قد تمارس قوى جاذبة تؤدي إلى انتشارها.
تتسبب الأسطح المحبة للماء، مثل الزجاج، في تسطح قطرات الماء. لكن على الأسطح شديدة الكارهة للماء، تتشكل القطرات بشكل مثالي وتتجنب عمليًا أي تفاعل مع الأسطح.
بناءً على سلوك القطرات على الأسطح شديدة الكارهة للماء، اقترح كروبانكين استخدام التبليل الكهربائي للتحكم في التفاعلات الكيميائية. كانت فكرته هي إنتاج صفوف من الأعمدة فائقة المقاومة للماء بعرض نانومتر قادرة على التبليل الكهربائي. تحت المجهر، تبدو الأعمدة وكأنها حقل مقصوص بشكل موحد من "العشب النانومتري". ويمكن الآن إنتاج هذا "العشب" باستخدام الأساليب المقبولة في صناعة الرقائق الدقيقة، والتي تم تطويرها خلال عقود من العمل مع السيليكون (السيليكون). ومن خلال تطبيق جهد كهربائي على السائل، تمكن العلماء من إحداث تفاعل من شأنه أن يجعل الأعمدة محبة للماء ويسحب القطرات إلى الأسفل بحيث تخترق الفراغات بين الأعمدة النانوية. يمكن للسائل بعد ذلك أن يتفاعل مع أي مركب موجود في القاع. أدرك كروبانكين أنه يمكن استخدام السائل لإنتاج الطاقة الكهربائية في بطارية نانومتر.
مفاعلات التفاعل الكيميائي
البطاريات هي في الواقع مفاعلات تفاعل كيميائي. تتكون البطارية التي تستخدم لمرة واحدة من قطبين كهربائيين، الأنود والكاثود، مغمورين في محلول إلكتروليت. تتفاعل المركبات التي تصنع منها الأقطاب الكهربائية مع بعضها البعض من خلال المنحل بالكهرباء وتطلق الإلكترونات. لكن المشكلة تكمن في أن هذه التفاعلات الكهروكيميائية تحدث حتى في حالة عدم توصيل البطاريات بالأجهزة. تفقد البطارية غير المستخدمة في المتوسط ما بين 7 إلى 10 بالمائة من سعتها سنويًا.
للاحتفاظ بالبطاريات لفترة ممتدة، يتم فصل الإلكتروليت عن الأقطاب الكهربائية عن طريق حاجز مادي حتى يتم التنشيط. التفاعلات الكهروكيميائية القوية للغاية التي تحدث عند إزالة القسم توفر دفعات قوية من الطاقة. إن التحدي الميكانيكي المتمثل في منع الاتصال بين الإلكتروليت والأقطاب الكهربائية يعني أن هذه البطاريات كبيرة وضخمة، لذا فهي مخصصة بشكل أساسي لحالات الطوارئ، مثل وحدات العناية المركزة أو غرف العمليات بالمستشفيات، وللاستخدامات العسكرية، مثل الرؤية الليلية. نظارات واقية أو إضاءة الليزر.
لقد ساعد اختراع العشب النانومتري بشكل كبير في تقليل بطاريات الطوارئ. ويوضح كروبانكين أيضًا أنه بدلاً من تنشيط جميع المواد المتفاعلة مرة واحدة، أصبح من الممكن الآن تصميم بطارية تقوم بتنشيط منطقة واحدة فقط من حديقة النانومتر في المرة الواحدة.
بدأت شركة Bell Labs في البحث عن مشترين لفكرة العشب النانومتري. يقول بيشوب: "لوسنت ليست شركة بطاريات، ولكننا نرغب في إحداث ثورة في هذا المجال". وفي ندوة عقدت في لوسنت في أواخر عام 2003، استمع ممثلو شركة تدعى mPhase إلى محاضرة حول بطارية تعتمد على تكنولوجيا النانو. "لقد خرجنا من الغرفة قائلين: واو، لقد كان ذلك رائعًا!"، يتذكر ستيف سيمون، نائب رئيس شركة mPhase للهندسة والبحث والتطوير. في ذلك الوقت، كانت شركة mPhase شركة كان عملها الرئيسي هو مكونات DSL لتطبيقات النطاق العريض المنزلية وتطبيقات الفيديو. لقد انبثقت عن شركة Microphase، وهي شركة إلكترونيات تعمل بالموجات الدقيقة تعمل في الصناعات العسكرية والفضاء والاتصالات في نورووك بولاية كونيتيكت.
مع اشتداد المنافسة في سوق أجهزة الاتصالات، سعى رون دوراندو، المدير التنفيذي للأداء في شركة mPhase، إلى إعادة اختراع الشركة كمورد لتقنية النانو. لقد كان يبحث عن منتج لن يستغرق تطويره وقتًا طويلاً ولن يكون مخصصًا للاستخدام الطبي، حتى لا يتورط في بيروقراطية التجارب السريرية. وكان يفضل المنتج الذي يخدم احتياجات السوق العسكرية التي لا يعيقها ارتفاع أسعار أجهزة تكنولوجيا النانو في بداية رحلتها. يوضح سيمون: "لقد استوفت البطارية جميع المتطلبات الثلاثة".
في مارس 2004، وقعت شركة mPhase اتفاقية تطوير مشتركة لتسويق بطارية النانومتر. وتتحقق mPhase من متطلبات العملاء المحتملة من البطارية، من أجل إنشاء أجهزة مربحة، بينما تتبرع شركة Lucent بترخيص التكنولوجيا مقابل الإتاوات، واستخدام غرفة نظيفة تبلغ تكلفتها 450 مليون دولار ومساعدة العلماء الذين لديهم عقود من الخبرة في مجال التكنولوجيا. إنتاج مركبات زورن.
أدى تطوير بطاريات النانو أخيرًا إلى تصغير مصادر الجهد إلى أبعاد المكونات الإلكترونية الأخرى. تم تصميم بطارية النانو بحيث تظل في حالة خاملة لمدة 15 عامًا على الأقل، وتوفر، بمجرد تنشيطها، دفعة من الطاقة عالية الكثافة. في سبتمبر 2004، كان لدى العلماء بالفعل نموذج عملي ينتج تيارًا. لإنتاج النموذج الأولي، كان على الفريق إنتاج أعمدة زورن بقطر 300 نانومتر وعلى فترات تبلغ حوالي XNUMX ميكرون. لتوليد الكهرباء، استخدم الباحثون المركبات المستخدمة في البطاريات القلوية العادية، مع الزنك كالأنود وثاني أكسيد المنغنيز كالكاثود. الأرضية الحديدية التي ترتكز عليها الأعمدة مطلية بالزنك، والأعمدة نفسها مغطاة بثاني أكسيد الحديد، مما يسمح للباحثين بالتحكم في الجهد الناتج عن الجهاز. نهايات الأعمدة مغلفة بطبقة من الفلوروكربون تشبه التيفلون حيث تحدث ظاهرة الترطيب الكهربائي.
ويؤكد كروبنكين: "حتى لو كانت الأمور بسيطة من الناحية المفاهيمية، إلا أنها صعبة التنفيذ". وأشار إلى أن ترسب الزنك في القاع فقط يمثل "سلسلة من التحديات الهائلة". تسمى العملية المقبولة لطلاء المعادن بالطلاء الكهربائي. لكن من المستحيل إجراؤها على أكاسيد مثل ثاني أكسيد النيتروجين الموجود في جهاز العشب النانومتري. ولذلك كان من الضروري التخطيط لطريقة لتنظيف أرضية الفرن من ثاني أكسيد الزنك والسماح للزنك بالاستقرار عليها، وفي هذه العملية يجب التأكد من بقاء أعمدة الفرن نفسها مغلفة بالأكسيد. وكان الحل هو طلاء كل من القاع والأعمدة بالأكسيد، ولكن بتصفيح طبقة أرق في القاع. ثم تم أكل الأكسيد مع الغاز المتأين حتى إزالته بالكامل من القاع، بينما ظلت الأعمدة مغلفة.
لكن لا يمكنك عمل طلاء كهربائي على Zorn أيضًا. ولذلك، استخدم الباحثون طرق الكيمياء الرطبة لترسيب النيكل أو التيتانيوم في القاع، كطبقة بذرة يستقر عليها الزنك أثناء الطلاء الكهربائي. كان ترسيب الزنك في طبقة موحدة، بحيث لا تتشكل أكوام من الزنك بجوار الأماكن المكشوفة، بمثابة قناع ممل للتجربة والخطأ من خلال اللعب بدرجة الحرارة والتيار الكهربائي وتركيز المواد الكيميائية. يقول سايمون: "عندما أنظر إلى الوراء، أنا مندهش من أن الأمر استغرق عامًا واحدًا فقط".
بمجرد أن حصل العلماء على نموذج أولي عملي، بدأوا في التحدث إلى العملاء المحتملين. وبعد هذه المحادثات، تم إدخال تغييرات كبيرة في هيكل البطارية. كان التصميم الأولي يشبه الساندويتش، وكان الكاثود في الأعلى، ومحلول كلوريد الزنك المستخدم كمحلول إلكتروليت، وفي المنتصف، والعشب النانومتري تحته، والأنود أدناه. أعرب ممثلو مختبرات الجيش الأمريكي من أديلفي بولاية ماريلاند عن قلقهم من أن الاتصال المستمر بين المنحل بالكهرباء وكل من الأقطاب الكهربائية قد يسبب تفاعلات كيميائية غير مرغوب فيها. بعد إعادة التصميم، أصبح المنحل بالكهرباء الآن في الأعلى، ومركبات الأنود والكاثود موجودة في مناطق منفصلة ماديًا في الأسفل، ويتم تعليق حاجز بحجم نانومتر بينهما. عند تفعيله، فإنه يسمح للإلكتروليت باختراق الأقطاب الكهربائية وإغراقها.
استخدم الفريق في الأصل أعمدة نانومترية لفصل الإلكتروليت عن القطب الموجب، لأن الأعمدة تشغل مساحة أقل وتوفر مساحة سطح أكبر للتفاعلات الكيميائية بين الأقطاب الكهربائية. لكن صعوبة إنتاج بطارية عمودية نانومترية دفعت الباحثين إلى تطوير غشاء على شكل قرص عسل نانومتري لفصل الإلكتروليت عن الأقطاب الكهربائية. كان إنشاء غشاء الترطيب الكهربائي هذا، الذي يحتوي على مسام يبلغ قطرها 20 ميكرون وجدران رقيقة وهشة بعرض 600 نانومتر، تحديًا كبيرًا. في البداية، استخدم العلماء البلازما لحفر البنية الدقيقة لقرص العسل من رقائق السيليكون المغطاة بثاني أكسيد السيليكون. بعد ذلك، قاموا بزراعة ثاني أكسيد السخام على جدران السخام المكشوفة للمسام عن طريق غلي الأكسجين في أفران عند درجة حرارة 1,000 درجة. أخيرًا، قم بتغطية الكحل بالكامل بالفلوروكربون.
طور الباحثون العينات الجديدة الأولى في أكتوبر 2005. إحدى المزايا العظيمة للنظام، وفقًا لسيمون، هي أن الفريق لا يضطر إلى البحث بجد عن الظروف الدقيقة اللازمة لتنمية طبقة أنود موحدة داخل غابة من أعمدة النانومتر كلما أراد تجربة مزيج جديد من الأنود والكاثود. . وبدلاً من ذلك، يقوم العلماء ببساطة بوضع قطع الأقطاب الكهربائية على سطح مستو. كما أن الخبرة الواسعة المكتسبة في مجال الطلاء الكهروكيميائي تساعدهم اليوم على إنتاج الأقطاب الكهربائية بسهولة بالغة. تحاول مختبرات Bell Labs وmPhase حاليًا، بالتعاون مع جامعة روتجرز، دمج نوع التفاعلات الكيميائية المستخدمة في بطاريات الكاميرات الرقمية والهواتف المحمولة في النظام.
يمكن أيضًا إنشاء مصدر طاقة أكثر صداقة للبيئة من بطارية النانومتر، والتي ستحتوي على مركبات تعمل على تحييد الإلكتروليت. يقول كروبنكين: "هذا سيمنعها من الانسكاب على الأرض، أو إذا تم إطلاق النار على جندي يحمل جهازًا به بطارية، فلن تسكب البطارية محتوياتها الساخنة عليه". ويضيف سايمون أنه من الممكن أيضًا أن تحل الهياكل البلاستيكية النانوية محل القالب، وتمهد الطريق لبطاريات النانو المرنة.
يقول كروبنكين إن العلماء لا يحاولون استبدال البطاريات التي يمكن التخلص منها، لأن تكلفة إنتاجها بكميات كبيرة "تبلغ بضعة أجزاء من السنت لبطارية AA". وهي تركز على تطبيقات متخصصة، مثل أجهزة الاستشعار التي يتم إسقاطها من الطائرات العسكرية والتي من المفترض أن تستخدم أجهزة الإرسال اللاسلكية الخاصة بها مرة أو مرتين فقط، للإشارة إلى وجود دخلاء، على سبيل المثال، أو سموم، أو إشعاعات. يوضح كروبانكين: "إذا لم يلتقط المستشعر أي شيء مثير للاهتمام، فلن يكون لديه ما ينقله، ولكن إذا فعل ذلك، فإنه يحتاج إلى الكثير من الطاقة الكهربائية". الاستخدام المحتمل الآخر هو في الأجهزة التي تراقب التغيرات البيئية. ويمكن لهذه الأجهزة استخدام الجهد الإضافي للإرسال عبر مسافة أكبر، وبالتالي تقليل عدد أجهزة الاستشعار المطلوبة. قد يكون من الممكن أيضًا دمج بطاريات الطوارئ في الغرسات الطبية أو الهواتف المحمولة أو أجهزة إرسال أطواق الحيوانات الأليفة.
ونظر الفريق أيضًا في تطوير نسخة قابلة لإعادة الشحن من الجهاز. يمكن أن تمر نبضة من التيار عبر البطارية الفارغة وتتسبب في تسخين السطح الذي يقع عليه المنحل بالكهرباء. ونتيجة لذلك، سوف تتبخر طبقة رقيقة من السائل، وتعود القطرة إلى أعلى بنية النانومتر. "في الأساس، هذا ممكن. من الناحية العملية، من الصعب جدًا القيام بذلك،" يخشى كروبانكين. على سبيل المثال، تتوقع mPhase إطلاق عينات من المنتجات لأول مستخدمين محتملين خلال عامين إلى ثلاثة أعوام. ستكون بطارية النانومتر علامة فارقة مهمة في ضم مصادر الطاقة إلى ثورة التصغير التي قادت بقية صناعة الإلكترونيات لعدة عقود.
وهم يعرفون تكنولوجيا النانو
إلى موقع ويب Scientific American Israel حيث يمكنك شراء اشتراك في المجلة
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~503990911~~~57&SiteName=hayadan
