پژوهشگران دانشگاه نورثوسترن موفق به توسعه مادهای ابتکاری شدند که میتواند انرژی را جذب کند، برای ماهها در خود نگه دارد، در زمان نیاز آن را آزاد کند و سپس دوباره به حالت اولیه بازگردد تا بار دیگر مورد استفاده قرار گیرد.
نکته شگفتانگیز این است که رفتار این ماده شباهت زیادی به سلولهای زنده دارد. این فناوری جدید میتواند در آینده برای ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر، تامین انرژی واکنشهای شیمیایی، پاکسازی آلایندهها و حتی توسعه نسل جدید تجهیزات الکترونیکی کاربرد داشته باشد.
برخلاف باتریهای رایج، این ماده کاملا در محیط آبی عمل میکند و برای عملکرد خود به فلزات یا پلاستیک نیاز ندارد.
نتایج این پژوهش نشان داد که نخستین نمونه، مادهای را معرفی میکند که با تغییر ساختار فیزیکی خود انرژی را ذخیره کرده و سپس دوباره خود را بازسازی میکند.
الهام از سازوکار سلولهای زنده
ایده ساخت این ماده از زیستشناسی الهام گرفته شده است. درون سلولهای زنده شبکهای به نام اسکلت سلولی وجود دارد که به حفظ شکل سلول، حرکت و تقسیم آن کمک میکند. برخلاف اسکلت سخت جانوران، این شبکه بهطور دائم در حال شکلگیری، تجزیه و بازسازی است.
ماده جدید نیز رفتاری مشابه دارد و هنگام ذخیره و آزادسازی انرژی، بهطور مداوم ساخته و دوباره تجزیه میشود. این ماده در ابتدا به شکل مایعی زردرنگ است. زمانی که انرژی حاصل از نور خورشید، جریان الکتریکی، پرتوهای ایکس یا برخی منابع شیمیایی را جذب میکند، دچار دگرگونی چشمگیر و به ژلی سیاهرنگ تبدیل میشود که قادر است انرژی را برای طولانیمدت ذخیره کند. به گفته پژوهشگران، این انرژی میتواند ماهها در ماده بماند.
آزادسازی انرژی با فرایندی ساده
هر زمان که انرژی ذخیرهشده مورد نیاز باشد، این ژل میتواند آن را برای پیشبرد واکنشهای شیمیایی آزاد کند، عملکردی مشابه باتریها که انرژی الکتریکی را در اختیار دستگاهها قرار میدهند.
پس از تخلیه انرژی، بازگرداندن ماده به حالت اولیه بسیار ساده و فقط کافی است در معرض اکسیژن موجود در هوا قرار گیرد. اکسیژن موجب حل شدن ژل سیاه و تبدیل دوباره آن به مایع زردرنگ اولیه میشود تا برای یک چرخه جدید آماده شود.
سه قابلیت در یک فناوری
یکی از مهمترین مزیتهای این ماده، ترکیب سه وظیفه مهم در یک سیستم واحد است. در فناوریهای رایج، جمعآوری انرژی، ذخیرهسازی آن و استفاده از انرژی معمولا توسط تجهیزات جداگانه انجام میشود، برای مثال، پنلهای خورشیدی انرژی را جذب و باتریها آن را ذخیره میکنند اما این ماده هر سه وظیفه را بهتنهایی انجام میدهد.
راز این قابلیت در مولکولهایی نهفته است که بهطور ویژه طراحی شدهاند و میتوانند خود را به ساختارهای بزرگتر سازماندهی کنند. هنگامی که این مولکولها انرژی جذب میکنند، الکترونها میان بخشهای مختلف آنها جابهجا میشوند. این فرایند موجب جذب مولکولهای مجاور به یکدیگر و تشکیل ساختارهای بسیار ظریف و نواریشکل میشود.
با افزایش تعداد این نوارها و درهمتنیدگی آنها، ژل سیاه و رسانایی شکل میگیرد که انرژی را در سراسر شبکه مولکولی خود ذخیره میکند. این ژل در واقع مانند یک مخزن انرژی قابل شارژ عمل میکند.
تولید انرژی حتی در تاریکی
نتایج آزمایشهای انجام شده در آزمایشگاه نشان داد که ژل شارژ شده میتواند حتی در تاریکی کامل نیز انرژی ذخیرهشده خود را آزاد کند. این ویژگی امکان انجام واکنشهای شیمیایی را بدون نیاز به منبع نوری مداوم فراهم میکند، قابلیتی که پژوهشگران آن را «فوتوکاتالیز در تاریکی» نامیدهاند. این ویژگی اهمیت زیادی دارد، زیرا بیشتر مواد فعالشونده با نور، به محض حذف منبع نور عملکرد خود را از دست میدهند.
کاربردهای آینده در انرژی و الکترونیک
این ماده همچنین چشماندازهای جذابی برای صنعت الکترونیک ایجاد میکند. از آنجا که نور میتواند بهصورت انتخابی این دگرگونی را فعال کند، پژوهشگران قادر خواهند بود الگوهای رسانای بسیار کوچکی ایجاد کنند که پس از بازگشت ماده به حالت اولیه، ناپدید میشوند.
به باور محققان، این فناوری در آینده میتواند در ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر، پاکسازی محیط زیست، ساخت تجهیزات الکترونیکی تطبیقپذیر و توسعه مواد هوشمند مورد استفاده قرار گیرد.
پژوهشگران اظهار کردند: فقط یک گرم از این ماده بالقوه میتواند انرژی کافی برای راهاندازی یک ساعت هوشمند یا دستگاههای پوشیدنی مشابه را ذخیره کند.
هرچند این فناوری هنوز به توسعه بیشتری نیاز و تا تجاریسازی فاصله دارد، اما چشماندازی امیدوارکننده از آیندهای را نشان میدهد که در آن مواد پاک، قابل استفاده مجدد و مبتنی بر آب میتوانند ذخیره و مدیریت انرژیهای تجدیدپذیر را بسیار کارآمدتر کنند.
نتایج این تحقیق در نشریه Chem منتشر شده است.
انتهای پیام