إعداد مايكل بيرجر*
نانوورك: تؤدي التفاعلات بين الماء والأسطح شحنات كهربائية صغيرة – وهي ظاهرة قد تمهد الطريق للجيل القادم من التقنيات القابلة للارتداء. وقد حظيت هذه الأجهزة صغيرة الحجم التي تولد الكهرباء من حركة المياه وتبخرها باهتمام بحثي كبير، باعتبارها مصدراً محتملاً للطاقة للتقنيات منخفضة الاستهلاك مثل أجهزة مراقبة الصحة والمستشعرات البيئية.
وقد شكل تطوير نسخة مرنة من هذه المولدات التي تعمل بالماء تحدياً كبيراً. فقد كانت الأجهزة الأولى صلبة ومعرضة للكسر عند ثنيها أو تمديدها، مما جعلها غير عملية للتقنيات القابلة للارتداء. وعلى الرغم من نجاح الباحثين في تطوير نماذج أكثر مرونة باستخدام مواد مثل القماش أو الإسفنج، إلا أن هذه التصميمات كانت تنتج طاقة قليلة جداً لا تكفي للاستخدام العملي، أو كانت تفقد وظائفها عند تعرضها للتشوه.
وقد ابتكر علماء من جامعة شمال غرب البوليتكنيك في الصين حلاً مبتكراً يجمع بين خصائص الورق الطبيعية في امتصاص الماء وبين قطوع دقيقة تسمح بالتمدد. هذا لحل المبتكر هو مولد بيلغ قياسه 2.0 × 3.0 سنتيمتر يولد الكهرباء عندما يتحرك الماء خلال ألياف ورقية معالجة.
نُشرت نتائج هذا البحث في مجلة “المواد المتقدمة الوظيفية**” تحت عنوان “مولد كهرباء -كهرومائي- قائم على الورق القابل للتمدد يعمل بتقنية الكيريجامي”.
صنع الباحثون المولد بطلاء الورق بجزيئات الكربون الأسود – وهي كرات كربونية مجهرية موصلة للكهرباء – مثبتة في موضعها بكمية قليلة من مادة رابطة من بولي فينيل الكحول. وعندما يلامس الماء أحد طرفي الورق المعالج، فإنه يتدفق طبيعياً عبر شبكة ألياف ورقية معالجة. وتحمل حركة الماء أيونات الهيدروجين الموجبة الشحنة (H3O+) عبر هذه القنوات، مما يولد فرقاً في الجهد الكهربائي بين المناطق الرطبة والجافة.
أ-ج) صور المجهر الإلكتروني الماسح للألياف الورقية قبل وبعد تحميل جزيئات الكربون الأسود.
د) جهود زيتا للورق المحمل بجزيئات الكربون الأسود (الخط الأحمر) والورق المحمل بجزيئات الكربون الأسود/بولي فينيل الكحول (الخط الأزرق).
هـ) صور فوتوغرافية لتساقط جزيئات الكربون الأسود قبل وبعد تعديل بولي فينيل الكحول.
و) صورة فوتوغرافية للورق المرن المحمل بجزيئات الكربون الأسود/بولي فينيل الكحول.
ز) رسم تخطيطي للمعالجة المضادة للماء على سطح الورق.
ح،ط) توصيف زاوية التلامس للأجزاء المحبة للماء والكارهة للماء من الورق المحمل بجزيئات الكربون الأسود/بولي فينيل الكحول.
ي) صور فوتوغرافية للمناطق الرطبة والجافة من الورق المحمل بجزيئات الكربون الأسود/بولي فينيل الكحول.
(الصورة: أعيد طبعها بإذن من Wiley-VCH Verlag)
يكمن الابتكار الرئيسي في طريقة قطع الورق المستوحى من فن الكيريغامي – وهو شكل من أشكال فن الأوريغامي الياباني لطي الورق – يعتمد على قطع الورق وطيه ويسمح هذا النمط الدقيق من القطوع للورق بالتمدد إلى ضعف طوله الأصلي مع احتفاظه بقدرته على نقل الماء وتوليد الكهرباء. ينتج هذا المولد المبتكر جهداً كهربائياً مفتوح الدائرة يبلغ 1.2 فولت وتياراً قصير الدائرة يبلغ 6.0 ميكروأمبير، بكثافة قصوى تبلغ 0.25 ميكروواط لكل سنتيمتر مربع.
حدد الفريق البحثي ثلاث مراحل متميزة في سلوك تمدد الجهاز. في المرحلة الأولى (من 0% إلى 200% تمدد)، تسمح القطوع للورق بالتشوه قليلا محافظاً على استقرار إنتاج الطاقة. وفي المرحلة الثانية (بين 200% و280% تمدد)، يبدأ الإجهاد في التركز في نقاط معينة، مما يؤثر على الأداء. أما في المرحلة الثالثة (ما بعد 280% تمدد)، فتبدأ بنية الورق في الانهيار، رغم أن الجهاز يظل قادراً على الوصول إلى استطالة 300% قبل أن يتلف كليا.
يمكن توصيل عدة وحدات على التوالي أو التوازي لزيادة الطاقة المنتجة. فقد أنتجت ثلاثة مولدات موصلة على التوالي 3.0 فولت، بينما أدى التوصيل المتوازي لثلاث وحدات إلى زيادة التيار من 6.0 إلى 15.0 ميكروأمبير. وقد نجح الفريق في إثبات التطبيقات العملية للجهاز من خلال تشغيل مصابيح LED وشاشات إلكترونية صغيرة.
برز تطبيق هذا المولد بشكل خاص في مجال مراقبة العرق. فعند تثبيت المولد على الجلد أثناء التمرين، يولد الكهرباء من تبخر العرق مع قياس تركيز الأملاح في الوقت نفسه. ويتغير الإنتاج الكهربائي مع تغير تركيبة العرق، مما يتيح المراقبة المستمرة للصحة دون الحاجة إلى بطاريات. وقد أظهرت الاختبارات باستخدام تركيزات مختلفة من كلوريد الصوديوم في العرق الاصطناعي علاقة واضحة بين مستويات الملح والإنتاج الكهربائي.
حافظ المولد المبتكر على أداء ثابت خلال 500 دورة تمدد، وعمل بكفاءة في ظروف بيئية متنوعة. وقد أدى ارتفاع درجة الحرارة إلى تحسين توليد الطاقة من خلال زيادة معدلات التبخر، في حين قللت الرطوبة العالية من الإنتاج قليلاً عبر إبطاء التبخر. وظلت هذه التغيرات ضمن حدود 10% من الأداء القياسي.
تقدم هذه التقنية الواعدة مزايا في مجال تشغيل الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء. فعلى عكس البطاريات، لا تحتاج إلى شحن أو استبدال. وهي تولد الطاقة باستمرار من التبخر الطبيعي، رغم أن مستويات الطاقة الحالية تقتصر على الأجهزة منخفضة الاستهلاك مثل المستشعرات والشاشات البسيطة.
يعمل الباحثون حالياً على زيادة إنتاج الطاقة وتكييف التصميم للتصنيع. وتشمل التحديات حماية الورق من التلف مع الحفاظ على خصائص امتصاص الماء، وزيادة حجم الإنتاج مع الحفاظ على أنماط قطع الورق الدقيقة الضرورية للأداء السليم. وفي حين أن النسخة الحالية تنجح في تشغيل المستشعرات الأساسية، فإن التقدم نحو تطبيقات أكثر سيتطلب تحسين الكفاءة أو استخدام وحدات أكبر حجماً.
ومع تزايد انتشار تقنيات مراقبة الصحة القابلة للارتداء، تستمر الحاجة إلى مصادر طاقة مرنة لا تتطلب صيانة في النمو. ويقدم هذا المولد الورقي نهجاً واعداً يسخر عملية تبخر الماء اليومية لتوليد الكهرباء مع الحفاظ على المرونة اللازمة للتقنيات القابلة للارتداء.
* مايكل هو مؤلف ثلاثة كتب نشرتها الجمعية الملكية للكيمياء:
“المجتمع النانوي: دفع حدود التكنولوجيا”،
“تقنية النانو: المستقبل ضئيل”،
“هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية”
**Advanced Functional Materials
jjv9j8
I¦ve learn a few good stuff here. Definitely value bookmarking for revisiting. I wonder how much attempt you set to create such a magnificent informative web site.