ابر خازن‌ها

مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون

ابر خازن ها

ابرخازن ها، یکی دیگر از روش های ذخیره سازی الکتریسیته است که می تواند از نانوتکنولوژی منفعت ببرد. این وسایل در جاهایی استفاده می شوند که نیازمند ذخیره سازی و رهایش سریع انرژی هستیم، مثلا در وسایل هیبرید- الکتریکی و وسایل حاوی پیل های سوختی. این بخش ها از دو الکترود غوطه ور شده در داخل یک الکترولیت، تشکیل شده اند. این مواد بوسیله ی یک جداکننده ی تراوا، از هم جدا می شوند. هر سطح مشترک الکترود- الکترولیت، به عنوان یک خازن در نظر گرفته می شوند و بنابراین، یک سلول کامل از دو خازن تشکیل شده است که به صورت سری به هم متصل شده اند. تمرکز در زمینه ی توسعه ی این وسایل، برای حصول مساحت سطحی بالا و مقاومت زمینه ی پایین، قرار دارد. مهم ترین خاصیت مربوط به یک ابرخازن، دانسیته ی توان بالای آن است که معمولاً 10 برابر بزرگتر از یک باتری ثانویه است. ماکزیمم دانسیته ی توان مربوط به یک خازن با عکس مقاومت داخلی آن در ارتباط است. یک سری از منبع در مقاومت داخلی مشارکت می کنند و به صورت کلی به آنها مقاومت سری معادل (ESR) می گویند. این مقاومت معادل شامل مقاومت الکترونیکی الکترودها و مقاومت داخلی میان الکترود و کلکتور جریان است. شکل های مختلف کربن هم اکنون به عنوان الکترود در ابرخازن ها، استفاده می شوند. نانوتیوب ها می توانند برای افزایش دانسیته ی جریان ابرخازن ها، استفاده شوند زیرا مرفولوژی نانوتیوبی این مواد دارای مقاومت الکتریکی پایین و تخلخل بالا در ساختار می باشد. محققین نشان داده اند که استفاده از الکترودهای لایه نازم با نانوتیوب های هم ردیف، موجب افزایش دانسیته ی توان می شود. این مسئله به دلیل کاهش در ESR رخ می دهد.

صرفه جویی در انرژی

صرفه جویی در انرژی می تواند از چند طریق انجام شود: مثلا بهبود عایق کاری منازل و ادارات، استفاده از تکنولوژی های روشنایی با بازده بالاتر و استفاده از مواد خاص در تولید ادوات و کاهش میزان مصرف انرژی آنها. علاوه بر این، یک بخش بزرگ از انرژی در طی حمل و نقل، تلف می شود. این مسئله موجب می شود تا نیاز به استفاده از شبکه های برق با بازده بالا، نمود داشته باشد. نانوتکنولوژی می تواند به صورت بالقوه، بر تمام مواد و تکنولوژی های بیان شده در بالا، مؤثر باشد.

کاتالیست ها

کاتالیست ها در حقیقت یک بخش مهم از جامعه ی ما را تشکیل می دهند. این مواد سنگ بنای بسیاری از واکنش های بیولوژیکی و تولید انبوه مواد شیمیایی می باشد. میزان دسترسی کافی و ارزان قیمت به مواد شیمیایی در واقع به اتکای فرایندهای کاتالیست شده ی صنعتی، انجام شده است. بدون این مواد، امکان تأمین این حد از امکانات برای جمعیت کنونی زمین، مقدور نبوده است. سایر تکنولوژی ها نیز به کاتالیست ها، وابسته می باشند. مسئله ی تأمین انرژی پایدار نیز از این مسئله مستثنی نمی باشد. همانگونه که گفته شد، پیشرفت بسیاری از تکنولوژی ها، نیازمند حامل های انرژی جایگزین با سوخت فسیلی است (مانند نور خورشید و هیدروژن). در حقیقت توسعه ی فرایندهای بهینه، نیازمند مواد کاتالیزوری است.

بیشتر بخوانید:نانوکاتالیست ها


برای مثال، برای آنگه آب با نور خورشید تجزیه شود و منجر به تولید هیدروژن و اکسیژن شود، محققین نیازمند بهبود فعالیت کاتالیستی می باشند. یک کاتالیست غیر همگن شامل نانوذرات فعال پراکنده سازی شده در داخل مواد پایه، می تواند مساحت سطحی 250 متر بر گرم، ایجاد کند. تولید ساختارهای نانومتری یک مسئله ی حیاتی در تحقیقات مربوط به مواد کاتالیستی می باشد. این مسئله در واقع به ساختار کاتالیزور غیر هموژن وابسته می باشد. وسایل الکترونیکی ابداعی و مختلفی در حال توسعه می باشند که دارای اجزای نانومتری هستند. نانووسایل انرژی زیادی مصرف نمی کنند و اگر یک انرژی اندک در سیستم ذخیره سازی آنها وجود داشته باشد، این ادوات می توانند از نوسانات مربوط به پا، ضربان قلب، سروصدا و جریان باد استفاده کنند. در حقیقت، این ساختار باید در ابعاد نانومتری به خوبی مهندسی شود. کاتالیست های غیر هموژن همواره دارای اجزای نانومتری هستند. از انجایی که عملکرد کالتالیستی آنها در سطح رخ می دهد، مواد کاتالیزور اغلب گران قیمت است. هدف مهندسین شیمی همواره تولید کاتالیست هایی است که دارای نسبت سطح به حجم بالاتری باشند، این کار موجب می شود تا میزان سطح برخورد کننده و مهیا شده برای انجام واکنش، ماکزیمم شود و بدین صورت میزان کاتالیزور مورد نیاز، کاهش یابد.

مواد پیشرفته

نانوتکنولوژی می تواند برخی راه حل های غیر مستقیم برای صرفه جویی در مصرف انرژی ارائه کند. این کار با توسعه ی موادی انجام می شود که خواص بهتری دارند. یک مثال از این مواد، موادی هستند که دارای استحکام بهبود یافته می باشند. این مواد ساختارهای سبک تر و مستحکم تری ایجاد می کنند. بدین صورت، به صورت غیر مستقیم موجب صرفه جویی در انرژی می شود. برای مثال، در بخش حمل و نقل، این مسئله نمود پیدا می کند. از آنجایی که یک کسر بزرگ از مصرف سوخت در یک ماشین، مربوط به انتقال وزن خود ماشین است، تولید ماشین های سبک تر، راه مؤثری برای صرفه جویی در انرژی می باشد. استحکام کششی بالاتر می تواند موجب بیشتر شدن میزان باری شود که یک ماده می تواند تحمل کند. برای مثال، توربین های بادی می توانند مقاومت بیشتری داشته باشند و سرعت چرخش آنها نیز در زمان سبک شدنشان، افزایش می یابد. مقاومت به خزش بهتر، یک مزیت برای هر سیستم تولید برق گرمایی می باشد. علت این مسئله، این است که دماهای علمیاتی بالاتر موجب می شود تا بازده سیستم افزایش یابد. نانوپوشش ها با خواص خوردگی بهبود یافته، دارای عمر سرویس دهی بیشتر در محیط های خطرناک هستند و بنابراین، دارای پتانسیل خوبی برای کاهش مصرف انرژی می باشند.

پوشش های عایق و هوشمند

عایق کاری یک روش مؤثر برای مینیمم کردن میزان انرژی مصرفی می باشد، برای مثال در خانه ها و ادارات. نانوتکنولوژی امکان توسعه ی مواد جدید با خواص عایق کاری بهبود یافته را فراهم آورده است. یک مثال از این مواد، آیروژل های نانومتخلخل می باشند که در حقیقت خاصیت عایق کاری فوق العاده ای دارند. یک مثال تجاری از این محصولات، با نام Aspen Aerogels در بازار موجود می باشند. شرکت تولید کننده پتوهای عایق کاری کننده ی نانومتخلخلی از جنس ایروژل تولید می کند که برای کاربردهای دما پایین مناسب می باشند (مثلا در عایق کاری لوله ها و تانکرها). این پتوهای عایق کاری، می توانند به اندازه ی کوچک تر بریده شوند و از آنها در عایق کاری بخش های مختلف، استفاده کرد. در واقع به خاطر ویژگی های عایق کاری مطلوب، ضخامت عایق مورد نیاز کاهش می یابد. علاوه بر این، محصولات این شرکت در برابر فشرده شدن نیز مقاومند و خاصیت آب گریزی ذاتی دارند و بدین صورت می تواند از آنها برای دوره های طولانی در بخش های مرطوب، استفاده کرد، بدون آنکه خواص گرمایی آن افت کند. نانوتکنولوژی با ایجاد پوشش های عایق نیز می تواند به صورت غیر مستقیم بر روی مصرف انرژی اثرگذار باشد. یک مثال از این مواد، پوشش های هوشمندی است که در آنها از لایه های با طول موج جذبی انتخابی، استفاده شده است. از آنها در ساخت آینه های حرارتی استفاده می شود.
یکی از این مواد، ایندیم- قلع اکسید (ITO) است که در واقع یک جاذب فروسرخ است. یک پوشش 0.3 نانومتری از ITO بر روی شیشه می تواند بیش از 80 % طول موج انتخابی خورشید را از خود عبور دهد. خواص انتقالی این پنجره می تواند با تغییر در ضخامت و ترکیب پوشش، تغییر کند به نحوی که ترکیبی از مواد می تواند برای تولید پنجره های کوچک مورد استفاده قرار گیرد. این پنجره ها، انرژی خورشید را در تابستان انعکاس می دهند در حالی که در زمستان این نور را از خود عبور می دهد.

مواد تولید کننده ی انرژی

وسایل الکترونیکی ابداعی و مختلفی در حال توسعه می باشند که دارای اجزای نانومتری هستند. نانووسایل انرژی زیادی مصرف نمی کنند و اگر یک انرژی اندک در سیستم ذخیره سازی آنها وجود داشته باشد، این ادوات می توانند از نوسانات مربوط به پا، ضربان قلب، سروصدا و جریان باد استفاده کنند. علاوه بر این، انرژی جمع آوری شده در این نوع ادوات، نیازمند یک تکنولوژی می باشند که در فرکانس های پایین کار کند. یک گروه کاری در انستیتوی تکنولوژی جورجیا، سیستمی ساخته اند که نوسان های با فرکانس پایین را به الکتریسیته تبدیل می کند. این کار با نانوسیم های پیزوالکتریک انجام می شود که در سال 1883 بوسیله ی Pierre Curie و برادرش Jacques کشف شده است. این نشان داده شده است که الکتریسیته وقتی تولید می شود که فشار در جهت کریستالی این مواد اعمال می شود. پیزوالکتریسیته در حقیقت بواسطه ی پلاریزاسیون الکتریکی در انواع خاصی از کریستال ها، ایجاد می شود، البته در زمان تحت تنش قرار گرفتن آنها. نانوسیم های اکسید روی یک ماده ی پیزوالکتریک محسوب می شوند. در کار انجام شده در انستیتوی جورجیا، محققین نانوسیم های اکسید روی را در اطراف الیاف کولار رسوب داده اند. کولار پلیمری با استحکام بالا و پایداری مطلوب می باشد (شکل 1). با تله افتادن دو فیبر و حرکت آنها بواسطه ی لغزش، یک حرکت برسی شکل ایجاد می کند که در واقع موجب تولید جریان می شود.
ابر خازن‌ها
انرژی مکانیکی در این حالت از طریق فرایند پیزوالکتریک- شبه رسانا، تولید شود. این کار نشاندهنده ی یک روش بالقوه در تولید پارچه هایی است که قابلیت تولید انرژی دارند. این انرژی از طریق تبدیل انرژی باد و یا حرکت های بدن، تأمین می شود. در آینده، این نوع از تولید کننده های انرژی نانومتری می تواند در تولید پارچه ها و تأمین انرژی مربوط به وسایل الکترونیکی شخصی، استفاده شود.

روشنایی مؤثر

یکی از کاربردهای مهم مربوط به نانوتکنولوژی در زمینه ی صرفه جویی در انرژی، تولید وسایل روشنایی با بازده انرژی بالاتر است. چراغ های روشنایی معمولی بازده انرژی خوبی ندارند. در این لامپ ها، بخش قابل توجهی از انرژی به حرارت تبدیل می شود. وسایل روشنایی حالت جامد که به صورت دیودهای ساتع کننده ی نور (LED) ساخته شده اند، امروزه توجه زیادی را به خود اختصاص داده اند و جایگزین منابع روشنایی کنونی شده اند. یکی از راه حل های پیشنهاد شده در اینجا، استفاده از مخلوطی از نانوکریستال های نیمه رسانا به عنوان لایه ی ساتع کننده ی ذاتی در وسایل LED می باشد. با ترکیب چند رنگ مختلف که حاصل ترکیب نانوکریستال های مختلف می باشد، می توان نور سفید تولید کرد اما این کار در نهایت، موجب افت بازده لامپ می شود. یک نتیجه ی که می تواند به صورت بالقوه این مشکل را برطرف کند، اخیراً بوسیله ی برخی از محققین دانشگاه Vanderbilt آمریکا، گسترش یافته است. آنها فهمیدند که کریستال های کادمیم و سلنیوم در اندازه ی مشخص، در زمان تهییج، نور سفید از خود ساتع می کنند.
دیودهای ساتع کننده ی نور آلی (OLED) یک راه حل مناسب برای کاربردهای روشنایی می باشند. این دیودها، برای تولید نمایشگرهای مسطح با خاصیت رنگی کامل مورد استفاده قرار می گیرند. در این مواد از کوانتم دات ها استفاده می شود و بدین صورت صفحات نمایشی با بازده نوری بهتر تولید می شود که به آن QD-LEDs می گویند. کوانتم دات ها به خاطر ساتع کردن نور اشباع و مونوکرومات معروف می باشند. نور ساتع شده در این مواد، به اندازه ی کوانتم دات و شرایط خاص، وابسته می باشد. اخیراً کوانتم دات های با خاصیت رنگی سفید نیز تولید شده اند. بنابراین، LED های بر پایه ی کوانتم دات ها، یک منبع نوری مطمئن می باشند و برای استفاده در صفحات نمایش مسطح، مفید می باشند.

انتقال مؤثر انرژی

یکی از زمینه هایی که در واقع پتانسیل صرفه جویی قابل توجهی دارد، انتقال جریان الکتریسیته می باشد. با افزایش تقاضای جهانی انرژی، زیرساخت ای انرژی رشد کرده است. این مسئله گاهی اوقات منجر به خاموشی های سرتاسری در بخش های مختلف شده است، مانند چیزی که در سال 2003، در آمریکا اتفاق افتاد. بنابراین، یک چالش اصلی در حقیقت توسعه ی مواد انتقال دهنده ی برق جدیدی است که سبک تر باشند و اتلاف انرژی در آنها از مس کمتر باشد. نانوتیوب های کربنی تک دیواره، دارای خواص قابل توجهی در این زمینه هستند و وزن آنها، یک ششم وزن مس است. این مواد رسانایی معادل و حتی بهتری نسبت به مس دارند. همچنین اتلاف جریان ادی در آنها اندک است. این ماده بنابراین، دارای پتانسیل بهبود و برطرف کردن برخی از محدودیت های مربوط به مواد انتقال دهنده ی برق کنونی، می باشند. قبل از آنکه این مسئله به واقعیت برسد، پیشرفت در تولید نانوتیوب های کربنی، ضروری به نظر می رسد. در حال حاضر، محققین نانوتیوب هایی تولید کرده اند که اغلب دارای طولی کمتر از 100 نانومتر می باشد. این مواد خواص رسانایی الکتریکی متفاوتی دارند. چالش پیش رو در آینده، استفاده از این ماده در این کاربرد می باشد.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد. منبع مقاله :
Nano-Surface chemistry / Morton Rosoff