وقتی نور و فشار همزمان برق تولید می‌کنند

ایسنا/دانشمندان به تازگی موفق به ساخت نوعی «نانوژنراتور انعطاف‌پذیر» شده‌اند، دستگاهی بسیار باریک که با فشردن یا کشیدن خود می‌تواند برق تولید کند. این فناوری بر پایه ترکیب نوآورانه دو ماده ‌نانویی ساخته شده است: لایه‌های اتمی بروفین و دی‌سولفید مولیبدن. نتیجه‌ کار یک ساختار دو بعدی است که ظرفیت تولید ولتاژ تا ۲۲ ولت را دارد و در عین حال می‌تواند جریان قابل توجهی تأمین کند.

این دستاورد گامی مهم در مسیر ساخت حسگرها و دستگاه‌های الکترونیکی خودتوان (self-powered) و انعطاف‌پذیر است که می‌تواند آینده گجت‌های پوشیدنی و حسگرهای نوری را دگرگون کند.

در دنیای امروز، تقاضا برای دستگاه‌های الکترونیکی سبک، انعطاف‌پذیر و خودکفا مثل ساعت‌های هوشمند، حسگرهای پوشیدنی یا سنجش‌گرهای محیطی روز به روز بیشتر می‌شود. اما تامین برق این گجت‌ها اغلب به باتری یا منبع خارجی وابسته است که وزن، حجم و نیاز به شارژ را افزایش می‌دهد. پژوهشگران در جست‌وجوی راه‌هایی هستند تا این دستگاه‌ها بتوانند از انرژی محیط مثل حرکات کوچک بدن، ارتعاشات یا فشار محیط، برق تولید کنند. اینجاست که نانومواد و خاصیت «پیزوالکتریک» وارد صحنه می‌شوند: موادی که با تغییر شکل مکانیکی (فشار، خم شدن) بار الکتریکی تولید می‌کنند. ساختن یک «نانوژنراتور» (nanogenerator) با چنین مواد دو بعدی پیشرفته می‌تواند امکان تولید برق پایدار و قابل اعتماد از حرکات ساده را فراهم کند و همین، کلید ورود به نسل جدید دستگاه‌های خود-توان و بسیار سبک است.

اما رسیدن به چنین دستگاهی کار ساده‌ای نیست: ماده باید هم انعطاف‌پذیر باشد، هم واکنش پذیری الکتریکی خوب داشته باشد، هم ساختارش پایدار و قابل تولید باشد. پژوهش تازه‌ای که در مجله Communications Materials منتشر شده، دقیقاً چنین دستاوردی را گزارش می‌دهد.

در این پروژه، پژوهشگران ابتدا لایه‌های نانویی از MoS₂ و بوروفین تولید کرده‌اند. MoS₂ از پیش ماده‌ای شناخته‌شده در بین مواد دو بعدی است: لایه‌هایی بسیار نازک که در آن اتم‌های مولیبدن (Mo) بین دو صفحه از گوگرد (S) قرار دارند و لایه‌ها با نیروی ضعیف «وان‌دروالز» کنار هم نگه داشته می‌شوند.

اما بوروفین ماده‌ای جدیدتر است: یک ورقه اتمی بسیار سبک از بور که ساختار ویژه‌ای دارد با ترکیب اشکال مثلثی و شش‌ضلعی و ترکیبی از خواص جالب: استحکام بالا، انعطاف‌پذیری، سبکی و در برخی ساختارها، توانایی رسانایی الکتریکی.

مهم‌ترین نکته این است: پژوهشگران این دو ماده را نه به صورت جداگانه، بلکه با هم «آمیخته» کرده‌اند و یک «heterostructure» دوبعدی بر پایه لایه‌های نانویی ایجاد کرده‌اند. در این ساختار، لایه‌های MoS₂ و بوروفین با نیروی ضعیف واندروالس روی هم قرار گرفته‌اند، یعنی بدون نیاز به تطابق دقیق کریستالی در سطح اتمی و با حفظ خواص ویژه هر لایه. به کمک میکروسکوپ الکترونی با قدرت تفکیک بالا و طیف‌نگاری رامان، محققان ثابت کردند که این لایه‌ها به درستی روی هم سوار شده‌اند و علاوه بر ویژگی‌های هر ماده، ویژگی‌های جدیدی در سطح مشترک آن‌ها ظاهر شده است.

پس از ساخت این ساختار نانویی، این تیم تحقیقاتی آن را در قالب یک نانوژنراتور انعطاف‌پذیر روی زیرلایه‌ای از پلاستیک (PET) و با ماتریس پلیمری (PDMS) ساختند. این دستگاه با فشردن یا اعمال فشار عمودی (مثلاً با وزن ۱ کیلوگرم) توانست ولتاژی تا ۲۲ ولت و چگالی جریان ۳۴ میکروآمپر بر سانتی‌متر مربع تولید کند، یعنی عملکردی تقریباً ده برابر بهتر از هر کدام از مواد اولیه به‌تنهایی.

علاوه بر این، بازده تبدیل انرژی این دستگاه حدود ۳۷ درصد گزارش شده است، عددی بسیار بالا برای یک نانوژنراتور.

اما نکته جالب‌تر: وقتی این نانوژنراتور تحت فشار مکانیکی و در عین حال در معرض نور فرابنفش (UV) قرار گرفت، خروجی آن به طور قابل توجهی افزایش یافت. این یعنی ساختار heterostructure نه فقط برای تولید برق از فشار، بلکه برای کاربرد به‌عنوان «سنسور خود-توان حساس به نور» نیز مناسب است.

علت این تقویت عملکرد تحت نور هم در ترکیب خاص این دو ماده نهفته است: MoS₂ تقریباً نیمه‌هادی نوع n و بوروفین نیمه‌هادی نوع p هستند، بنابراین وقتی کنار هم قرار می‌گیرند، یک « پیوند p–n » تشکیل می‌شود که باعث جداسازی کارآمد الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود. تحت فشار، «پیزوپتانسیل» ایجاد می‌شود و تحت نور UV نیز جفت الکترون-حفره تولید می‌شود و این ترکیب منجر به خروجی بالا و قوی می‌شود.

همچنین مطالعات نشان داده‌اند که در این heterostructure، «گپ انرژی» (band gap) نسبت به مواد اولیه کاهش یافته است، یعنی انرژی لازم برای انتقال الکترون کاهش یافته است. این امر به بهبود انتقال بار الکتریکی کمک می‌کند و احتمالاً یکی از عوامل مؤثر در خروجی بالای نانوژنراتور است.

پژوهش انجام‌شده در مؤسسه CSIR-AMPRI با ترکیب borophene و MoS₂ در قالب یک ساختار ۲ بعدی heterostructure۶ نشان داد که می‌توان نانوژنراتوری انعطاف‌پذیر، کارآمد و خودتوان ساخت. این نانوژنراتور با فشار ساده توانایی تولید ولتاژ و جریان مناسب دارد و تحت نور UV حتی خروجی‌اش بهتر می‌شود یعنی می‌تواند به حسگرهای نور و فشار بدون باتری تبدیل شود. این کار گامی مهم به سمت گجت‌ها و حسگرهای آینده است: سبک، انعطاف‌پذیر، خودتوان و با عملکرد بالا.