چکیده:
چنانچه قطرات آب مروارید وار بر روی سطحی قرار گرفته و درون آن نفوذ نکنند، علت آن خاصیت آب گریزی این سطح می‌تواند باشد. این مفهوم کلید ایجاد یک فناوری انرژی نوین است. یعنی تکنیکی که بوسیله آن می‌توان انرژی الکتریکی تولید نمود و حتی ممکن است کارایی بعضی باتری‌ها را نیز افزایش دهد.

تعداد کلمات: 1110     /    تخمین زمان مطالعه: 5 دقیقه
مترجم: رزیتا ملکی‌زاده

دانشمندان پیش از این می‌دانستند که می‌توانند با جاری ساختن آب شور در امتداد یک سطح دارای بار الکتریکی، برق تولید کنند. اما هرگز نتوانستند از طریق این فرایند انرژی کافی و مفید تولید کنند. اکنون مهندسان جهت انجام این کار به روشی نوین دست یافته‌اند. ترفند آنها برای این کار بدین صورت است که آب را با سرعت بسیار سریع‌تر از تکنیک پیشین، از روی این سطح جاری می‌سازند. آنها از طریق آب گریز ساختن فوق‌العاده این سطح به این امر نائل شدند.

پراب باندارو (Prab Bandaru‎) مهندس مکانیک و دانشمند مواد از دانشگاه کالیفرنیا سن دیگو است. نوآوری تیم او زمانی شکل گرفت که آنها در استیصال کامل بسر می‌بردند. هیچ کدام از کارهایی که امتحان کرده‌ بودند به نتیجه نرسیده بود. او با خنده می‌گوید: «به طور کاملاً اتفاقی و ناگهانی این اتفاق رخ داد». نقشه این کار اصلاً کشیده نشده بود.

دانشمندان در توضیحات خود از سطحی سخن به میان می‌آورند که مانند جسم آب گریز یا هیدروفوبیک، آب را دفع می‌کند. هیدروفوبیک یک اصطلاح یونانی است که از واژه‌های (هیدرو) به معنای آب و (فوبیک) به معنای گریزان و بیزار گرفته شده است. تیم این دانشگاه از ماده‌ای صحبت می‌کنند که به عنوان سوپر هیدروفوبیک عمل می‌کند.

سیستم انرژی آنها با نمک طعام یا کلرید سدیم شروع می‌شود. همانطور که از نام آن پیداست، این نمک از پیوند اتم‌های سدیم و کلر تشکیل شده است. هنگامی که این اتم‌ها برای ساخت نمک با یکدیگر واکنش نشان می‌دهند، یک الکترون از اتم سدیم جدا شده و به اتم کلر اتصال می‌یابد. این امر باعث می‌شود هر یک از اتم‌های خنثی به نوعی اتم باردار شده تحت عنوان یون تبدیل شوند. اکنون اتم سدیم دارای بار الکتریکی مثبت است. بارهای مخالف یکدیگر را جذب می‌کنند. بنابراین یون سدیم اکنون جذب اتم کلری می‌شود که اکنون بار منفی به خود گرفته است.

هنگامی که نمک در آب حل می‌شود، مولکولهای آب موجب سست شدن پیوند میان یونهای سدیم و کلر می‌شوندهنگامی که نمک در آب حل می‌شود، مولکولهای آب موجب سست شدن پیوند میان یونهای سدیم و کلر می‌شوند. با جریان یافتن این آب شور بر روی سطحی با بار منفی، یونهای سدیم با بار مثبت جذب این سطح خواهند شد و سرعت آنها کاهش می‌یابد. در این اثناء یونهای کلر با بار منفی به حرکت خود ادامه خواهند داد. این امر موجب شکسته شدن پیوند میان دو اتم می‌شود. و انرژی ذخیره شده درون آنها آزاد می‌شود.
چالش پیشِ روی این دانشمندان آن بود که کاری کنند آب به قدر کافی سریع حرکت کند. به گفته‌ی باندارو: «چنانچه کلر به سرعت جریان ‌یابد، آنگاه سرعت نسبی میان سدیمی که به آهستگی حرکت می‌کند و کلری که سرعت بالایی دارد، افزایش می‌یابد». و این کار قدرت الکتریکی که تولید می‌کند را افزایش خواهد داد.

این تیم در خصوص نوآوری خود در تاریخ 3 اکتبر در مجله نیچر کامیونیکِیشنز توضیحاتی ارائه کردند.

به گفته‌ی دانیل تارتاکوفسکی مهندس دانشگاه استنفورد که خود در این تحقیق دخیل نبود: «اینگونه استفاده از یک سطح سوپر هیدروفوبیک جهت تولید انرژی، بسیار هیجان انگیز است».

نوآوری
سایر پژوهشگران در تلاش بوده‌اند تا از نیروی دفع آب جهت افزایش تولید انرژی بدست آمده از مولد الکتریکی آب شور استفاده کنند. آنها این کار را با افزودن شیارهایی کوچک بر روی سطح انجام دادند. هنگامی که آب بر روی این شیارهای کوچک جریان می‌یافت، به دلیل آنکه در هوا پراکنده می‌شد، با اصطکاک کمتری مواجه می‌گشت. حتی با وجود آنکه آب سریعتر جریان می‌یافت، اما باز هم انرژی تولید شده افزایش چندانی نداشت. به گفته‌ی باندارو علت عدم افزایش چندان انرژی تولید شده آن است که هوا همچنین تماس آب با سطح دارای بار منفی را قطع می‌کند.

تیم او راه‌های متفاوتی را به منظور رفع این مشکل امتحان کردند. آنها سعی کردند سطح را دارای خلل و فرج بیشتری کنند. ایده آنها آن بود که با فراهم ساختن هوایی حتی بیشتر در سطح، جریان آب را سریع سازند. او به یاد می‌آورد که آنها در آزمایشگاه به این فکر می‌کردند که چرا این راهکار آنها به درستی کار نمی‌کند. آنگاه با خود گفتند که: «چرا مایع را درون [سطح] قرار ندهیم؟»

این ایده بدون هیچگونه محاسبه مفید بودن یا نبودن آن به ذهنشان خطور کرده بود. آنها تنها سعی کردند که هوای موجود بر روی شیارهای سطح را با روغن جایگزین سازند. و این کار آنها با موفقیت روبرو شد. به گفته‌ی باندارو: «بسیار هیجان‌زده شده بودیم». «نتیجه بسیار بسیار بالایی برای ولتاژ [الکتریکی] عاید ما شده بود». باندارو عنوان می‌کند که برای بررسی آنکه آیا هیچگونه اشتباهی در این زمینه مرتکب شده‌اند یا خیر، به سرعت متوجه شدند که بایستی این کار را مجدداً مورد آزمایش قرار دهند.

آنها چندین مرتبه دیگر آن را امتحان کردند. و هر مرتبه، نتایج به همان صورت بود. به گفته باندارو: «این کار قابلیت تجدید پذیری را داشت». بنابراین به این اطمینان رسیدند که موفقیت اولیه آنها تصادفی نبوده است.

آنها سپس خواص فیزیکی سطح مملو از مایع را مورد آزمایش قرار دادند. باندارو به یاد می‌آورد: «از آن لحظاتی بود که به این نتیجه رسیدیم بله البته که باید کار کند».

علت موفقیت
روغن نیز همانند هوا، آب را دفع می‌کند. برخی روغن‌ها بیشتر از هوا آب گریز هستند و می‌توانند بار الکتریکی منفی را در خود نگه دارند. تیم باندارو پنج روغن را به منظور یافتن بهترین نوع به لحاظ آب گریزی و ایجاد بار منفی امتحان کردند. دیگر مزیت استفاده از روغن آن است که به هنگام جریان یافتن آب بر روی آن شسته نشده و از بین نمی‌رود به این دلیل که نیرویی فیزیکی تحت عنوان کشش سطحی، آن را در شیارها نگه می‌دارد.برخی روغن‌ها بیشتر از هوا آب گریز هستند و می‌توانند بار الکتریکی منفی را در خود نگه دارند

تستهای گزارش شده این تیم نشان می‌دهد که این راهکار با موفقیت همراه بوده است. جهت امتحان میزان موفقیت این ایده در مقیاسی بزرگتر که بتواند مقدار برق رضایت بخشی به همراه داشته باشد، نیاز به آزمایشات دیگری خواهد بود.

اما این تکنیک حتی در کاربردهایی با مقیاس کوچک نیز ممکن است مفید باشد. به عنوان مثال این تکنیک می‌تواند به عنوان منبع نیرو برای سنجش «آزمایشگاه روی تراشه» مورد استفاده قرار گیرد. در اینجا با دستگاه‌هایی بسیار کوچک، آزمایشهایی را بر روی مقدار بسیار کمی از مایع از جمله یک قطره آب یا خون انجام می‌دهند. در یک مقیاس بزرگ، این تکنیک می‌تواند جهت تولید برق از امواج اقیانوسی یا حتی استفاده از ضایعات موجود در تأسیسات تصفیه آب مورد استفاده قرار گیرد. باندارو توضیح می‌دهد که لزوماً نیازی نیست که این مایع آب شور باشد. شاید فاضلابی وجود داشته باشد که حاوی یون باشد. تا زمانی که یون در مایع وجود داشته باشد، می‌توان از آن جهت تولید ولتاژ الکتریکی استفاده نمود.

استفاده از مایعی مانند روغن جهت افزودن بر سرعت جریان آب و همچنین انتقال الکتریسیته می‌تواند اثربخشی چنین سیستم‌های نیرویی را بهبود بخشد. به گفته‌ی تارتاکوفسکی: «اگر این کار عملیاتی شود حتی ممکن است پیشرفت شگرفی در زمینه فناوری باتری به همراه داشته باشد».

برگرفته از سایت sciencenewsforstudents