طور علماء معهد وايزمان طريقة لقياس السرعة التي ينقل بها ثقب نانوي واحد الشحنة الكهربائية. قد تساعد النتائج في إنتاج بطاريات أكثر كفاءة
تعمل المسام النانوية على زيادة مساحة السطح لتخزين الجزيئات المشحونة. الصورة: جو مونك، ويكيميديا
يتم تعريف نوموفوبيا (اختصار لرهاب عدم استخدام الهاتف المحمول) على أنه الخوف من البقاء بدون استقبال خلوي. حتى لو لم نعاني من رد الفعل الشديد هذا، فإن اعتمادنا على طول عمر البطاريات القابلة لإعادة الشحن يتزايد يومًا بعد يوم - سواء كان ذلك الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة أو السيارات الكهربائية أو العديد من الأجهزة الأخرى. الحل الشائع لتخزين الطاقة بكفاءة هو استخدام "المكثفات الفائقة" - وحدات الطاقة التي تخزن الشحنة في أقطاب كهربائية مصنوعة من مواد مسامية. تزيد المسام - التجاويف والشقوق الصغيرة - بشكل كبير من مساحة السطح لتخزين الجسيمات المشحونة، ولكنها أيضًا تبطئ معدل التقاط الأقطاب الكهربائية للشحنة الكهربائية ثم إزالتها. وكما ورد مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Communications، فقد طور علماء معهد وايزمان للعلوم طريقة لقياس السرعة التي ينقل بها ثقب نانوي واحد الشحنة الكهربائية. قد تساعد هذه النتائج في تطوير مواد مسامية أكثر كفاءة لاستخدامها في إنتاج البطاريات.
عندما انطلق العلماء، لم تكن البطاريات أو المكثفات الفائقة في أذهانهم. أراد البروفيسور جاكوب كلاين من قسم المواد والسطوح وزملاؤه معرفة ما يحدث للقوى المؤثرة بين سطحين في المقياس النانوي عندما يتغير الجهد الكهربائي لأحدهما. لقد ابتكروا جهازًا يتكون من لوحين مستديرين ناعمين للغاية - أحدهما من الذهب والآخر من مادة عازلة معدنية تسمى الميكا (أو الميكا) - وتم وضعهما مقابل بعضهما البعض على مسافة قليلة؛ يؤدي هذا إلى إنشاء أخدود نانوي يبلغ قطره حوالي 100 ميكرون (جزء من المليون من المتر) وعرضه حوالي 50 نانومتر (جزء من المليار من المتر). وقام العلماء بتغطيس الصفائح في محلول يحتوي على أيونات مشحونة، وتغيرت فجأة إمكانات سطح الذهب وتابعوا تطور القوة الكهروستاتيكية - قوة التنافر أو الجذب بين سطحين مشحونين.
"هكذا أدركنا أن قياس القوى المؤثرة في أخدود النانو يسمح لنا بقياس مدة شحن مسام النانو في القطب - أي المدة التي تستغرقها الأيونات التي تحمل شحنة للدخول أو الخروج من المسام يقول البروفيسور كلاين، الذي أجرى البحث بالتعاون مع الدكتور ران تيفوني والدكتور جلعاد سيلبرت، ثم طلاب البحث في مجموعته، ومع زميله في القسم البروفيسور شموئيل شافران والبروفيسور فيليب بينكوس من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا. واعتمد الباحثون على دراسة سابقة أجراها الدكتور ليراز تشاي، الذي كان حينها طالباً بحثياً في مختبر البروفيسور كلاين.
ووجد العلماء أن الوقت الذي استغرقته الأيونات الحاملة للشحنة للدخول أو الخروج من فتحة النانو كان حوالي ثانية واحدة. كما تم اكتشاف أن الخصائص المختلفة أثرت على سرعة الدخول والخروج. على سبيل المثال، كان الشحن أسرع بكثير إذا كان أخدود النانو أوسع وعندما كان تركيز الأيونات في المحلول أكبر. وتشير النتائج إلى أن هذه القياسات قد تساعد في تطوير مواد مسامية أكثر كفاءة لاستخدامها في إنتاج البطاريات. وقد تساعد القياسات أيضًا في تحسين المواد المسامية لاستخدامها في تقنيات أخرى، مثل تحلية المياه أو إنتاج الطاقة المتجددة من المحاليل الملحية.
