الأنابيب الشمسية

اكتشف علماء معهد وايزمان للعلوم وشركاؤهم في البحث أن الأنابيب النانوية من المركب WS2 تحبس الضوء في قلبها وتنتج تيارًا كهربائيًا استجابةً لذلك. يعد التأثير الكهروضوئي المقاس هو الأقوى من نوعه الذي تم رصده حتى الآن

أنبوب صغير على شكل سيجار مجوف، مصنوع من مركب غير عضوي يلتف حول نفسه، قد يصبح أحد أصغر الأجهزة الشمسية في العالم. يعد هذا الاكتشاف - نتيجة التعاون بين فيزيائيين من اليابان وألمانيا وكيميائيين من إسرائيل - مفاجئًا ليس فقط بسبب حقيقة أن الأنبوب النانوي ينتج طاقة كهربائية من ضوء الشمس، ولكن لأنه أقوى تأثير تم ملاحظته حتى الآن لكائن فريد من نوعه. الآلية الفيزيائية المعروفة باسم "التأثير الكهروضوئي الشاذ".

لأكثر من 25 عامًا، قام البروفيسور رشيف تانا، من قسم المواد والأسطح في معهد وايزمان للعلوم، بإنشاء وبحث الهياكل النانوية المصنوعة من مركبات غير عضوية مختلفة. يقول البروفيسور تانا: "إن أنابيب الكربون النانوية هي بالفعل الأكثر شهرة، ولكن يمكن تحويل العديد من المركبات المختلفة إلى أنابيب نانوية". كانت الأنابيب النانوية من مركب ثاني كبريتيد التنغستن (WS2) هي الأولى التي صنعها، واكتشف أنها موصلات نانوية ذات قوة ميكانيكية مثيرة للإعجاب. قامت البروفيسورة إيلا زاك من معهد حولون للتكنولوجيا - والتي كانت من أوائل طلاب البروفيسور تانا، وأصبحت فيما بعد شريكة له - بدراسة آلية نمو الأنابيب النانوية WS2 بتفصيل كبير، وكانت أول من اقترح آلية التفاعل لإنشائها في مراحل نقية وبكميات كبيرة.

في السنوات الأخيرة، تحول بحثهم المشترك في اتجاه جديد: فقد تعاونوا مع البروفيسور يوشيهيرو إيواسا - وهو فيزيائي من جامعة طوكيو ومعهد RIKEN، الذي يتعامل مع الخصائص الفيزيائية للأنابيب النانوية. وبعد عرض هذه الخصائص على نطاق واسع لأنابيب الكربون النانوية، توجه البروفيسور إيواسا إلى الأستاذين زاك وتانا ليفحص أيضًا الخصائص الفيزيائية لأنواع أقل شهرة من الأنابيب النانوية. وفي السلسلة الأولى من تجاربهم، والتي نشرت نتائجها في المجلة العلمية Nature Communications، اكتشف الباحثون أن الأنابيب النانوية WS2 يمكن أن تصبح موصلات فائقة في درجات حرارة منخفضة؛ وكما هو الحال مع الأنواع الأخرى من أشباه الموصلات التي تعمل عند درجة حرارة منخفضة، تتحرك الإلكترونات الموجودة في الأنابيب النانوية عبر المادة في أزواج، دون أن تواجه أي مقاومة في طريقها. وفي دراسة نشرت في مجلة Nano Letters، أظهر العلماء بالفعل أن درجة الحرارة التي يكتسب فيها الأنبوب النانوي خصائص التوصيل الفائق تتناقص مع انخفاض قطره. يعلق البروفيسور تانا قائلاً: "إنها نتيجة محيرة لا تزال بحاجة إلى تفسير نظري".

بعد ذلك، تحول الباحثون إلى دراسة الخصائص البصرية لأنابيب WS2. وعلى غرار الألياف الضوئية في أنظمة الاتصالات، يمكن للأنابيب النانوية التقاط الضوء في مراكزها المجوفة. وهكذا، عندما تم تطبيق مجال كهربائي مستقطب على الأنابيب، فإنها توهجت. وفي دراسة أخرى، بقيادة طالبة البحث السابقة في TANA، الدكتورة لينا يدجروف، وجد أن الأنابيب النانوية التي يبلغ قطرها 100 نانومتر أو أكثر يمكنها التقاط الضوء في قلوبها، على غرار الألياف الضوئية. أثارت هذه الظاهرة سؤالاً آخر: هل تستطيع الأنابيب النانوية، المشابهة للخلايا الشمسية، امتصاص الضوء وإنتاج الكهرباء استجابةً لذلك؟

ولاختبار ذلك، استخدمت المجموعة البحثية بقيادة الدكتور تشانغ ييجين، الذي كان في ذلك الوقت طالبًا باحثًا في مجموعة البروفيسور إيواسا، أشعة الليزر بأطوال موجية مختلفة وأضاءت أجزاء مختلفة من الأنابيب النانوية بها. وأظهرت الأنابيب النانوية غير العضوية نتائج أفضل مما كان متوقعا، ولكن تم الحصول على أفضل النتائج عندما تم توجيه شعاع الضوء مباشرة إلى مركز الأنبوب النانوي وليس إلى أطرافه. وهذا نوع فريد من نشاط امتصاص الضوء، يُعرف باسم "التأثير الكهروضوئي الشاذ". يوضح البروفيسور تانا: "عادةً ما نتوقع رؤية التأثير بالقرب من الحواف، حيث قد تدفع نقاط الاتصال الإلكترونات أو "الثقوب" إلى الخارج". "في الأنابيب النانوية WS2، يعد عدم التماثل أمرًا أساسيًا؛ وهذا يعني أن "الشبكة" التي تشكل كل طبقة يجب أن تنتقل من الطبقة التي تحتها، وفي الاتجاه الصحيح." وعلى غرار موصلية الأنابيب النانوية، فإن هذه الظاهرة، التي تم وصفها مؤخرًا في مجلة Nature، لا تزال غير مفسرة بشكل كامل من خلال النظرية الفيزيائية.

وعلى الرغم من الاستجابة القوية بشكل خاص التي لاحظها فريق البحث، إلا أنه في هذه المرحلة لا يزال غير فعال بما يكفي للسماح بدمج الأنابيب النانوية في مجمعات الطاقة الشمسية القياسية. ومع ذلك، يعتزم العلماء إجراء المزيد من التحقيقات في الأنواع غير العضوية الأخرى من الأنابيب النانوية لمعرفة ما إذا كانت لها خصائص شمسية مماثلة. بالإضافة إلى ذلك، سيستمرون في دراسة الأنابيب النانوية WS2 بهدف زيادة قدرتها على حصاد الضوء، على سبيل المثال، من خلال "الزرع" - الإضافة المتعمدة للشوائب من أجل تحسين تدفق الإلكترونات.

يعتقد البروفيسور تانا أنه على الرغم من أن خصائص الأنابيب النانوية المكتشفة في البحث توسع بشكل كبير المعرفة الحالية حول سلوك المواد على نطاق صغير، إلا أن التطبيقات الأكثر إلحاحًا للأنابيب النانوية غير العضوية لا تكمن في خصائصها الكهروضوئية أو البصرية أو حتى الموصلية الفائقة. ولكن على وجه التحديد في قوتهم العظيمة. فإضافتها إلى المواد المدرعة، على سبيل المثال، قد تحسن بشكل كبير من فعالية السترات الواقية، وإضافتها إلى المواد المركبة المستخدمة في بناء الطائرات أو السيارات، قد تحسن بشكل كبير من قدرة الأخيرة على امتصاص الصدمات ومنع وقوع إصابات في الحوادث. بالإضافة إلى ذلك، تشير الدراسات إلى أن الهياكل النانوية غير العضوية مثل تلك التي أنشأها العلماء غير سامة، وبالتالي في المستقبل سوف تكون قادرة على إيجاد طريقها إلى الأجهزة الطبية المختلفة - أجهزة الاستشعار وحتى "قطع الغيار" الاصطناعية للجسم البشري. .

كان التأثير الكهروضوئي الشاذ الذي تم قياسه في الأنابيب النانوية WS2 أقوى بمقدار 2 إلى 4 مرات من التأثيرات المماثلة المقاسة في مواد أخرى، مثل المواد الخزفية القطبية.
للمادة العلمية