ورقه‌های انعطاف‌پذیر ذخیره‌کننده‌ی انرژی

محققین دانشگاه پرینستون موفق به ساخت مواد انعطاف‌پذیری شده‌اند که هنگامی‌که تحت فشار قرار می‌گیرند، مقادیر زیادی انرژی را می‌توانند ذخیره کنند. محققین اظهار دارند که از این مواد می‌توان در تخت کفش‌، جهت تامین انرژی لازم برای وسایل الکترونیکی قابل حمل استفاده کرد، و یا برای شارژ مجدد دستگاه تنظیم‌کننده‌ی ضربان قلب بیماران قلبی، با قراردادن این ماده در ریه‌ی این افراد در حین تنفس، این کار را انجام داد.

لاستیک نگهدارنده‌ی انرژی، نوارهایی از یک ماده‌ی پیزوالکتریک* به نام PZT را بین قطعاتی از سیلیکون تحت فشار نگه می‌دارد. زمانی‌که ماده‌ی پیزوالکتریک به طور مکانیکی تحت فشار قرار می‌گیرد، ولتاژی تولید می‌کند که برای تولید جریان الکتریکی می‌تواند مفید باشد؛ هم‌چنین مجدداً این جریان را می‌توان به انرژی مکانیکی تبدیل کرد.

ماده‌ی لاستیکی چهار برابر بیشتر از مواد انعطاف‌پذیر پیزوالکتریک موجود تا می‌تواند ۸۰ درصد از انرژی به‌کاررفته برای خم‌شدن را ذخیره کند.

با پیشرفت تکنولوژی ذخیره‌ی انرژی(energy-harvesting) ، اهمیت انعطاف‌پذیری برای ما بیشتر می‌شود. به عنوان مثال، کفش‌های نظامی پیزوالکتریک با زیره‌ی سفت که به عنوان منبع انرژی، مورد استفاده‌ی سربازان نظامی قرار می‌گیرد، باعث پادرد آن‌ها می‌گردد. هم‌چنین ذخیره‌کننده‌های انرژی قبلی بر پایه‌ی پلیمرهای پیزوالکتریک، ریزسیم‌ها و سایر کریستال‌ها جریان الکتریکی کمتری ایجاد می‌کنند.

با اینکه PZT، کارآمدترین ماده‌ی پیزوالکتریک شناخته‌شده است، ولی با توجه به ساختار کریستالی آن بایستی در دماهای بالا آن را تهیه نمود که در نتیجه لایه‌ی منعطف ذوب خواهد شد.

محققین پرینستون، با راهنمایی‌های Michael McAlpine، استاد مهندسی مکانیک، موفق شدند که بر این مشکل فایق آیند. آن‌ها با ساختن PZT در دماهای بالا و سپس انتقال نوارهای نازکی از آن به داخل سیلیکون، این کار را انجام دادند.

در ابتدا، این محققین با یک حمام  حکاکی(etching)  شیمیایی، یک نوار نازک از سطح کریستال PZT را برمی‌دارند. سپس، آن‌ها با یک استامپ پلیمری نوار PZT را برداشته و آن را بر روی یک فیلم سیلیکونی قرار می دهند و سپس با قطعه‌ی سیلیکون دیگری آن را پوشش داده و محکم می بندند.

McAlpine  می‌گوید؛ تمام فرایندهای انجام‌شده برای ساختن نوارهای PZT کاملاً ساده بوده و به سهولت انجام می‌پذیرند. هم‌چنین این محققین با قاطعیت گفتند که فرایند انجام‌شده به هیچ وجه کارایی تبدیل انرژی PZT  را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد.

آزمایشات انجام‌شده حول اثبات این موضوع، که در مجله Nano Letters آورده‌شده، نشان می‌دهد که نوارهای PZT با روکش لاستیکی، حداکثر کارایی تبدیل انرژی خود را در این حالت حفظ می‌کنند.

McAlpine  می‌گوید: از این فرایند ساده بایستی به‌ راحتی بتوان برای ساختن ورقه‌های بزرگتر استفاده نمود. او پتنتی در رابطه با این فرایند به نام خود ثبت کرده‌است.

McAlpine به ویژه بر روی کاربردهای زیست‌پزشکی مواد متمرکز شده و می‌گوید بایستی بتوان از تعداد جراحی‌های انجام شده که بیماران برای انجام عمل پیوندزدن متحمل می‌شوند، کم کرد. McAlpine به عنوان مثال می‌گوید: پزشکان می‌توانند در مراحل اولیه‌ی جراحی، ورق تولیدکننده‌ی انرژی را در مقابل ریه‌ها قرار دهند؛ که حرکت مداوم اعضای بدن می‌توانند به شارژ مجدد باتری کمک نمایند.

Jim Grotberg، استاد جراحی و مهندسی زیست‌پزشکی در دانشگاه Michigan، در این باره می‌گوید؛ کنترل و مونیتورکردن بی‌سیم و دارورسانی برای بیماران با مشکلات پزشکی درازمدت از کاربردهای بالقوه‌ی دیگر قابل ذکر می‌باشد. او افزود، برای اینکه سنسوری برای کنترل ضربان قلب، فعالیت مغز، فشار خون و یا یک سیستم قابل پیوند تزریق انسولین داشته باشیم، نیاز به یک باتری داریم.

PZT به تنهایی زیست‌سازگار نمی‌باشد. حرف “p” در “PZT” به عنوان پیشوندی برای نماد شیمیایی در کنار “Z” برای zirconium و “T” برای titanium می‌آید. با این حال، زمانی‌که نوارهای کریستال کاملاً در داخل سیلیکون قرار می‌گیرند، ماده‌ای حاصل می‌شود که از طرف اداره‌ی کل غذا و داروی امریکا برای پیوندهای پزشکی تایید شده است.

این درحالی است که آزمایش بر روی حیوانات هنوز انجام نشده است. اما محققین دانشگاه پرینستون از این ورقه‌ها مدل‌های اولیه‌ای را برای آزمایش این‌که این ورقه‌ها زمانی که در داخل کفش قرار می‌گیرند، چه مقدار الکتریسیته می‌توانند تولید کنند، تهیه کرده اند.

***

پیزوالکتریک: پیزوالکتریسیته عبارتست از تولید الکتریسیته (ایجادشده توسط قطبش) توسط یک ماده بر اثر اِعمال تنش. در مورد چنین ماده‌ای گفته می‌شود که «رفتار پیزوالکتریک» دارد.

——————

Technology Review