مجله فانوس توانمندسازی جوانان از طریق رسانه
ارسالی عباس
ترانزيستورها که ظهورشان به سال 1947 برميگردد، اکنون بسيار کوچک‌تر شده، از وسايلي بدترکيب به ارتفاع نيم اينچ، مبدل به تجهيزاتي شده‌اند که قطعات آنها ابعاد حيرت‌آوري به اندازه چند صد اتم دارند. از طرف ديگر، باتري‌ها نيز ميزان توليد انرژي خود را آن هم در يک پنجاهم اين فضا، افزايش داده‌اند.
شرکت آزمايشگاه‌هاي بِل (Bell Laboratories) که روزي سازنده اولين نسل از ترانزيستورها بود، در حال حاضر در تلاش براي ابداع مجدد نسل جديدي از باتري‌هاست. هدف اين شرکت آن است که در توليد انبوه باتري‌هايي که مي‌توان آنها را به همراه شبکه‌اي از مدارهاي الکتريکي ديگر بر روي يک تراشه قرارداد، از روشهاي ساخت ترانزيستورها بهره گيرد. اين وسيله که نانوباتري ناميده مي‌شود، ويژگي‌هاي الکترودها را در مقياسي نانومتري، کوچک و متمرکز خواهد کرد.
طراحي نانوباتري بگونه‌اي است که آن را حداقل به مدت 15 سال در خفا نگه داشته، شايد در اين مدت فقط از آن به عنوان منبع انرژي حسگرهايي که تشعشعات راديواکتيويته را پايش کرده يا مواد شيميايي سمي را رديابي مي‌کنند، استفاده شود. بعد از گذشت اين مدت، اين باتري‌ها ظاهر شده و به سرعت مبدل به يک منبع بزرگ انرژي خواهند شد. اين ايده به توليد اولين باتري‌هايي منجر مي‌شود که قادرند با خنثي نمودن مخلوط مواد شيميايي سمي داخل خود، خود را تميز نمايند.
رشد نانوسبزهها
منشأ پيدايش نانوباتريها به اقبال جدي آزمايشگاه‌هاي بِل به فناوري نانو در چند سال اخير برميگردد. در پاييز 2004 لوسِنت (Lucent)، شرکت مادرِ آزمايشگاه‌هاي بِل ، با همکاري دولت محلي و مؤسسه فناوري ايالت نيوجرسي به دنبال فراهم نمودن مقدمات تأسيس کنسرسيوم فناوري نانو در اين ايالت بود.
ايده لوسِنت اين بود که خدمات پژوهش، توسعه و مدل‌سازي اوليه اين شرکت، از طريق اين کنسرسيوم در اختيار متخصصان فناوري نانو در صنايع، دانشگاه‌ها و سازمان‌هاي دولتي قرار گيرد. ديويد بيشاپ Bishop)David) معاون پژوهش‌هاي فناوري نانو در آزمايشگاهاي بِل، برگزاري همايش‌هايي را براي متخصصان اين شرکت آغاز کرد تا آنها بدين وسيله ايده‌هاي خود را در مورد اينکه چگونه پژوهش‌هايشان مي‌تواند کاربردهاي جديدي را براي اعضاي کنسرسيوم ياد شده به وجود آورد با هم درميان گذارند.
تام کروپنکين (Tom Krupenkin) که يکي از ارائه کنندگان اين همايش‌ها بود، فعاليت‌هايي در مورد ريز عدسي‌هاي مايع که هم اکنون در تلفن‌هاي دوربين‌دار کاربرد دارند، انجام داده بود. اين عدسي‌ها متشکل از قطرات ريزي هستند که قادرند شکل و خواص کانوني خود را در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي بر سطحي که با آن در تماسند، تغيير دهند. اين سطوح که سطوح ترشونده الکتريکي ناميده مي‌شوند، در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي، از سطوحي بسيار آب‌گريز (Superhyrophobic) به سطوحي آب‌دوست (Hydrophilic) تبديل مي‌شوند.
آب‌گريزي شديد همان خاصيتي است که لغزيدن قطرات باران از پرهاي مرغابي و برگ‌هاي نيلوفر آبي را سبب شده و در نتيجه مانع از خيس شدن اين سطوح مي‌شود. قطرات مايع به دليل وجود کشش سطحي، تمايل به گلوله‌شدن دارند اما با اعمال نيروي جاذبه از سطحي که بر روي آن قرار دارند، به سرعت پخش مي‌شوند. آب بر روي چنين سطوح آب‌دوستي مانند شيشه پخش مي‌شود، اما بر‌روي سطوح آب‌گريز کاملاً به شکل گلوله درآمده و به هيچ وجه تعاملي با اين سطوح ندارد.
کروپنکين بر اساس رفتار قطرات کوچک مايع بر روي سطوح آب‌گريز، چنين استدلال کرد که ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) را مي‌توان براي کنترل واکنش‌هاي شيميايي به خدمت گرفت. او طرحي را شامل چند رديف از ستونهاي بسيار آب گريز با قطر نانومتري که خاصيت ترشدگي الکتريکي (الکترووتينگ) هم داشتند، ترسيم نمود. اين ستون‌ها در زير ميکروسکوپ به منطقه‌اي از نانوسبزه‌هاي يکنواخت بريده شده، شباهت داشتند. اين نانوسبزهها را مي‌توان بوسيله روشهاي معمول در صنايع ميکروالکترونيک به وجود آورد. دانشمندان با اعمال ولتاژ بر روي مايعِ قرارگرفته بر روي اين ستون‌ها، قادرند واکنشي را به وجود آورند که آب گريز شدن آنها را به دنبال داشته باشد. در نتيجه اين تغيير وضعيت، قطرات مايع در حد فاصل بين نانوستون‌ها به سمت پايين نفوذ خواهند کرد. بنابراين اين مايع قادر خواهد بود که با هر
نانوسبزه اي متشکل از ستونهايي با قطر 300 نانومتر . ايده اي کاملاً جديد در مورد باتري‌ها. اين ساختارها تا موقع راه اندازي و استفاده از باتري، مايع الکتروليت را بالاي نانوسبزه نگاه مي‌دارد.
ترکيبي که در انتهاي ستون‌ها قرار مي‌گيرد، وارد واکنش شود. کروپنکين از اين موضوع نتيجه گرفت که اين مايع را مي‌توان براي توليد انرژي در نانوباتريها به خدمت گرفت.
باتري‌ها اساساً رآکتورهاي شيميايي هستند. يک باتري يکبارمصرف از دو الکترود غوطه‌ور در مايع الكتروليت، يکي آند و ديگري کاتد تشکيل شده است. ترکيبات موجود در هر دو الکترود از طريق الکتروليت با هم واکنش مي‌دهند تا الکترون و جريان الکتريکي توليد کنند. اما مشکل اينجاست که اين واکنش‌ها زماني که باتري به وسيله‌اي وصل نيست و بلااستفاده است، نيز رخ مي‌دهند. يک باتري متوسط در هر سال 7 تا 10 درصد انرژي خود را زماني که از آن استفاده نمي‌شود، از دست مي‌دهد.
در باتري‌هاي موسوم به باتري‌هاي ذخيره، براي جدانمودن الکتروليت از الکترودها در زمان غيرفعال بودن آنها، از موانعي فيزيکي استفاده مي‌شود. اين کار از انجام واکنش‌هاي شديد الکتروشيميايي که منجر به آزاد شدن انرژي زياد مي‌شود، جلوگيري مي‌کند. مشکل مکانيکي اين جداسازي، بزرگ و زمخت شدن باتري‌هاست؛ در نتيجه از آنها عمدتاً در موقعيت‌هاي اضطراري نظير واحدهاي مراقبت ويژه يا اتاق عمل بيمارستان‌ها يا مصارف نظامي نظير دوربين‌هاي ديد در شب يا روشن‌سازي ليزري، مي‌توان استفاده کرد. به کارگيري نانوسبزهها، کوچک‌تر کردن باتري‌هاي ذخيره را نيز بسيار آسان‌تر مي‌کند. بر اساس توضيحات کروپنکين، دانشمندان قادرند باتري‌هايي را طراحي کنند که در آنها به جاي اينکه کليه مواد شيميايي در آنِ واحد واکنش کنند، فقط بخشي از ميدان نانوسبزهها فعال شده و در واکنش شرکت نمايد.
آزمايشگاه‌هاي بِل، بازاريابي و فروش ايده نانوسبزه را آغاز كرده است. بيشاپ مي‌گويد لوسِنت گرچه يک شرکت توليد باتري نيست اما مي‌خواهد كه آن را متحول کند. در همايشي که در اواخر سال 2003 برگزار شد، مسئولين شرکت ام‌فازmPhase) ( مطلبي که لوسِنت در مورد باتري‌هاي مبتني بر فناوري نانو ارائه داد را شنيدند. استيو سيمون(SteveSimon) معاون اجرايي مديريت مهندسي، پژوهش و توسعه اين شرکت از آن روز چنين ياد مي کند: ”ما اتاق را ترک کرديم و گفتيم خداي بزرگ!، ايده تکان دهنده‌اي بود.“ در آن زمان ام فاز يک شرکت توليدکننده تجهيزات خطوط مشترک ديجيتالDSL) ويدئويي) و باند عريض خانگي بود.
گسترش سريع بازار سخت‌افزارهاي مخابراتي، ران دوراندو (Ron Durando)، رئيس هيئت مديره ام‌فاز، را بر آن داشت که اين شرکت را به يک تأمين کننده فناوري نانو مبدل کند. او به ويژه توليد وسيله‌اي را مدنظر داشت که توسعه آن مدت زيادي طول نکشد، کاربردهاي پزشکي نداشته باشد تا براي تکميل آن منتظر جواب آزمايش‌هاي باليني نماند و در نهايت در خدمت بازاري نظامي باشد که تامين هزينه‌هاي زياد تجهيزات فناوري نانو را در مراحل اوليه توليد، تقبل کند. به عقيده سيمون نانوباتريها هرسه ويژگي فوق را دارا هستند.
طرح يک نانوباتري
نانوغشاي آزمايشي ساخته شده شرکت ام‌فاز و آزمايشگاه‌هاي بِل ، الکتروليت را از الکترودهاي مثبت و منفي (آند و کاتد) جدا مي‌کند. اين کار افزايش عمر باتري را به دنبال دارد. وقتي که از باتري استفاده نمي‌شود (شکل بالا) آند روي و کاتد دي‌اکسيد منگنز به صورت قطعه‌هاي مجزا از هم در کف باتري قراردارند. در بالاي آنها يک غشاي لانه زنبوري حفره دار از جنس سيليکون قرار دارد که با لايه‌اي از دي‌اکسيد سيليکون و پليمر فلوئورکربن پوشيده شده و بالاي اين غشاء محلول الکتروليت کلريد روي قرار گرفته است. در هنگام استفاده از باتري (شکل پايين) الکتروليت از غشاي لانه زنبوري نفوذ کرده و قطعه‌هاي آند و کاتد را در برمي‌گيرد، به محض برقرار شدن ارتباط بين آندها و کاتدها به وسيله مايع الکتروليت، واکنش‌هاي بين آنها براي توليد الکتريسيته آغاز مي‌شوند.
در مارس 2004، ام‌فاز توافق‌نامه توسعه مشترکي را براي توليد تجاري نانوباتريها با لوسِنت به امضا رسانيد. در حالي که اين شرکت به دنبال تحقيق در اين مورد بود که مشتريان بالقوه اين باتري‌ها، براي توليد وسايل و تجهيزات سودآور چه انتظاراتي دارند، شرکت لوسِنت اين فناوري را در عوض دريافت حق امتياز، اجازه استفاده از يک اتاق تميز به ارزش450 ميليون دلار (اتاق تميز محيطي عاري از هرگونه باکتري و گرد غبار است که از آن در توليد تجهيزات دقيق و حساس الکترونيکي و هوا فضا استفاده مي‌شود. م) و دسترسي به دانشمنداني با سالها تجربه در زمينه ساخت و توليد سيليکون ، به ام فاز واگذار نمود.
شروع به کار
تا سپتامبر 2004، دانشمندان براي توليد جريان الکتريسيته در آزمايشگاه‌هايشان تنها يک الگوي عملياتي در اختيار داشتند. اين گروه براي دستيابي به نمونه اوليه اين الگو، مجبور بودند ستونهاي سيليکوني با قطر تقريبي 300 نانومتر و فواصلي به اندازه دو ميکرون، به وجود آورند. آنان براي توليد الکتريسيته، همان ترکيباتي را به کارگرفتند که در باتري‌هاي قليايي معمولي وجود دارند، يعني فلز روي به عنوان آند و دي اکسيد منگنز به عنوان کاتد. بستر سيليکوني که اين ستون‌ها روي آن قرار مي‌گرفتند با فلز روي و خود ستون‌ها نيز با دي اکسيد سيليکون پوشيده شده بودند. اين کار به پژوهشگران
امکان مي‌داد که ولتاژ باتري را کنترل نمايند. سرِ نانوستون‌ها نيز با لايه اي از مواد فلوئورکربن شبيه تفلون پوشيده شده بود. اين کار باعث مي‌شد که اين ستون‌ها از خود رفتار ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) نشان دهند.
کروپنکين تأکيد مي‌کند كه انجام چنين کارهايي که ساده به نظر مي‌رسند، در عمل مشکل است. نشاندن فلز روي فقط در قسمت کف باتري، اشکالات بزرگي را يکي پس از ديگري سبب مي‌شد. دانشمندان معمولاً براي نشاندن اين فلز در اين مکان‌هاي به خصوص از فرايند آبکاري الکتريکي (Electoplating) استفاده مي‌کنند. اما اين فرايند در مورد اکسيدهايي مانند دي اکسيد سيليکون موجود در تجهيزات مبتني بر نانوسبزه، کارايي ندارد. بنابراين بايد روشي ابداع نمود که بستر سيليکوني را عاري از دي اکسيد سيليکون کرده، امکان نشاندن فلز روي را بر آن فراهم کند و در عين حال سيليکون موجود در پوشش ستون‌ها، دست نخورده باقي بماند. راه حل عبارت بود از پوشاندن بستر سيليکوني و ستون‌ها با اين اکسيد به طوري که لايه پوشش بستر، نازک‌ترين حالت ممکن را داشته باشد. اين اکسيد با استفاده از گاز يونيزه شده طوري از تمامي قسمتهاي باتري زدوده مي‌شد که ستونهاي حاوي اين اکسيد و کف باتري عاري از آن باشد.
چون هنوز هم نمي‌شد آبکاري الکتريکي را روي سطوح سيليکوني انجام داد، پژوهشگران با استفاده از روشهاي شيمياييِ تَر (wet-chemistry)، کفِ باتري را با لايه اي از فلزات نيکل و تيتانيوم به عنوان لايه بذري (Seed Layer) پوشش دادند. وجود اين فلزات باعث مي‌شود که فلز روي درحين آبکاري الکتريکي بر روي اين سطح بچسبد. نشاندن فلز روي به طور يکنواخت انجام شد به طوري که حتي برجستگي‌هاي کوچک اين فلز نيز در هيچ مکاني از کف باتري به وجود نيامد و انجام سعي و خطاهاي پرزحمت براي تغيير درجه حرارت، شدت جريان الکتريکي و غلظت مواد شيميايي تا رسيدن به وضعيت مطلوب، لازم نباشد. سيمون خاطرنشان مي‌کند: ”وقتي برمي گردم و به گذشته نگاه مي‌کنم شگفت زده مي‌شوم، انجام اين کار فقط يکسال طول کشيد.“
بعد از اينکه دانشمندان به نمونه اوليه‌اي از نانوباتريها که به درستي عمل مي‌کرد دست يافتند، به گفت‌وگو با مشتريان بالقوه آن پرداختند. اين بحث‌ها رشد سريع اين باتري‌ها را به دنبال داشت. طرح اوليه شبيه به يک ساندويچ بود؛ به طوري که کاتد در بالا، محلول الکتروليت کلريد روي در وسط، نانوسبزهها در زير الکتروليت و آند در کف باتري قرار داشتند. مقامات رسمي آزمايشگاه پژوهشي ارتش آمريکا در آدلفي مريلند در مورد اينکه شايد تماس مستقيم بين الکتروليت و هريک از الکترودها به بروز واکنش‌هاي شيميايي ناخواسته منجر شود، ابراز نگراني کردند. بعد از بازنگري طرح اوليه، الکتروليت در بالا، کاتد و آند به صورت قطعه‌هاي جداي از هم درکف، و يک غشاي نانوسيليکوني در وسط باتري قرار داده شد. در اين صورت وقتي باتري به کار مي‌افتد، الکتروليت از اين غشا نفوذ کرده و الکترودها را در برگيرد.
گروه دانشمندان، در ابتدا براي جداکردن الکتروليت از آند، از نانوستون‌ها استفاده کردند، چون در اين صورت ستون‌ها حداقل فضاي ممکن را اشغال کرده، فضاي کافي بيشتري براي انجام واکنش بين الکترودها به وجود مي‌آمد. اما مشکل بودن طراحي و ساخت باتري‌هاي نانوستوني، آنان را بر آن داشت که به جاي اين کار، از غشاي لانه زنبوري استفاده کنند. ساخت غشاي ترشونده الکتريکي با حفره‌هاي 20 ميکروني و ديواره‌هاي نازک و شکننده‌اي با پهناي 600 نانومتر هم مشکل بزرگي بود. در ابتدا دانشمندان براي زدودن پوشش دي اکسيد سيليکون از ساختار ظريف لانه زنبوري، از نوعي پلاسما استفاده کردند. سپس دي اکسيد سيليکون را در کوره‌هايي مملو از اکسيژن و دماي تا 1000 درجه سانتيگراد، بر روي ديواره‌هاي لُخت و بدون پوشش حفره‌هاي غشا نشانده، سرانجام کل غشاي لانه زنبوري را با فلوئورکربن پوشش دادند.
پژوهشگران نمونه‌هاي اوليه اين طرح بازنگري شده را در اکتبر 2005 توليد کردند. يکي از بزرگ‌ترين مزاياي اين نمونه آن بود که آنها را هر زمان که نياز به آزمايش ترکيب جديدي از کاتد و آند احساس مي‌شد از انجام کار پر زحمت يافتن شرايط دقيق لازم براي نشاندن يک لايه آندي يکنواخت در وسط جنگل نانوستون‌ها، بي نياز مي‌کرد. در عوض آنها مي‌توانستند به سادگي تکه‌هاي الکترود را بر روي هر نوع سطحي قراردهند. به گفته سيمون در همان زمان، تجارب کسب شده از آبکاري الکترونيکي به آنها کمک کرد که کار ساخت تکه‌هاي موردنظر را راحت‌تر انجام دهند. آزمايشگاه‌هاي بِل و ام‌فاز هم اکنون در حال همکاري با دانشگاه روتگرز در زمينه بررسي ويژگي‌هاي شيميايي نوعي باتري ليتيومي هستند که در دوربين‌هاي ديجيتالي و دستگاه‌هاي تلفن همراه کاربرد دارد.
نانوباتريها شايد به پيدايش منابع انرژي‌اي که به محيط زيست آسيب کمتري مي‌رساند منجر شوند؛ به اين دليل که اين منابع، حاوي ترکيباتي با ويژگي محبوس سازي الکتروليت هستند. به گفته کروپنکين در صورت استفاده از اين باتري‌ها، از نفوذ الکتروليت به زمين ، يا نشت آن به روي سربازان وقتي که مورد اصابت گلوله قرار مي‌گيرند، جلوگيري خواهد شد. سيمون مي‌افزايد به جاي سيليکون از نانوساختارهاي پلاستيکي هم مي‌توان استفاده و راه را براي ظهور نانوباتري‌هاي انعطاف پذير هموار كرد.
به عقيده کروپنکين، دانشمندان به دنبال جايگزين نمودن باتري‌هاي يکبار مصرف معمولي با نانوباتريها نيستند؛ زيرا توليد باتري‌هاي معمولي بسيار کم هزينه است؛ در عوض دانشمندان به دنبال کاربردهاي مخصوص نانوباتريها هستند؛ مثلاً حسگرهايي که از هواپيماهاي نظامي پرتاب مي‌شوند و شايد در طول عمر خود فقط يک يا دو بار از فرستنده‌هاي راديويي خود براي اعلام حضور مواد مزاحم مثل مواد سمي و تشعشعات، استفاده کنند. کروپنکين توضيح مي‌دهد که اين حسگرها اگر چيز جالبي پيدا نکنند طبعاًً چيزي براي مخابره کردن نخواهند داشت ولي اگر چيزي را حس کنند، براي مخابره و اعلام خطر آن به انرژي زيادي نياز خواهند داشت. در عوض، اين انرژي اضافي را مي‌توان براي مخابره اطلاعات در مسافت‌هاي بيشتر توسط تجهيزاتي که تغييرات محيطي را پايش مي‌کنند، به کارگرفت، در نتيجه تعداد حسگرهاي مورد نياز را کاهش داد. از باتري‌هاي ذخيره اضطراري مي‌توان در اعضاي پيوندي، دستگاه‌هاي تلفن همراه، و قلاده‌هاي مخابره امواج راديويي مخصوص حيوانات اهلي نيز استفاده کرد.
پژوهشگران، ساخت مدل قابل شارژي از اين نانوباتريها را نيز مدنظر قرار داده اند. يک پالس جريان الکتريکي مي‌تواند در سرتاسر يک نانوباتري تخليه شده حرکت کرده و موجب گرم شدن سطحي که الکتروليت روي آن قرارگرفته، شود. در نتيجه لايه نازکي از اين مايع بخار شده و قطراتي از آن به نانوساختار برميگردد. کروپنکين معتقد است که حصول به اين هدف به طور نظري ممکن ولي در عمل دور از دسترس است. شرکت انتظار دارد که ظرف دو يا سه سال آينده نمونه‌هايي از اين نانوباتري‌هاي قابل شارژ را براي اولين نوع وفق دهنده‌ها (آداپتورها)، توليد کند. نانوباتريها سرانجام نشان خواهند داد که چگونه منابع انرژي پا به پاي انقلاب کوچک سازي که چند دهه است ديگر صنايع الکترونيکي را به دنبال خود مي‌کشد، حرکت مي‌کنند.
