نانوژنراتور

۱-مقدمه

نانوژنراتور، به نانوماده‌ای گفته می‌شود که انرژی مکانیکی (معمولا) یا انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. نانوژنراتورها یکی از امیدهای بشر برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیازش به صورت پاک و تجدیدپذیر است. اما در حال حاضر بازده نانوژنراتورها پایین و قیمت تمام شده آنها بالاست و در نتیجه بیشتر تمرکز بر استفاده از آنها برای تامین انرژی لازم برای نانوربات‌هایی است که وارد بدن انسان یا سایر موجودات زنده می‌شوند.

نانوژنراتورها اکثرا یک پیزوالکتریک هستند و کار مکانیکی محیط را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در ادامه در مورد پیزوالکتریک‌ها توضیح خواهیم داد.

۲- خاصیت پیزوالکتریک^[۱]

مواد پیزوالکتریک موادی هستند که کار مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند و یا برعکس. دلیل این امر نامتقارن بودن سلول واحد این مواد است. به گونه‌ای که از ۳۲ دسته بلوری مختلف، ۲۱ دسته از آنها دارای سلول واحد نامتقارن هستند و از آنها ۲۰ دسته از خود خاصیت پیزوالکتریکی نشان می‌دهند. به تبدیل کار مکانیکی به انرژی الکتریکی پیزوالکتریسیته مستقیم و به تبدیل انرژی الکتریکی به کار مکانیکی، پیزوالکتریسیته معکوس گفته می‌شود.

مواد مختلفی همچون انوع سرامیک‌ها، پلیمرها و کامپوزیت‌ها می‌توانند از خود خاصیت پیزوالکتریسیته نشان دهند. از جمله معروف‌ترین ساختارهای پیزوالکتریک می‌توان به اکسید روی، تیتانیات زیرکونات سرب ($\mathrm{PZT}$)^[۲]، استخوان، تاندون، ابریشم، دی‌ان‌ای (DNA)، کوارتز، سولفید کادمیم، تیتانیات باریم، نیترید گالیوم و پلی‌وینیلیدن فلوراید ($\mathrm{PVDF}$)^[۳] اشاره نمود.

از مواد پیزوالکتریک در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود. از جمله این کاربردها می‌توان به استفاده از آنها در التراسونیک جهت ایجاد موج، استفاده از آنها در سنسورهای فشاری، ضخامت یا سنسورهای موج اشاره نمود. همچنین از آنها در انبرک میکروسکوپ‌های پرابی همچون میکروسکوپ تونلی روبشی ($\mathrm{STM}$)^[۴] نیز برای تنظیم ارتفاع و تصویربرداری استفاده می‌شود (شکل۱). توضیحات بیشتر نحوه عملکرد پیزوالکتریک در میکروسکوپ‌های STM در مقاله مربوطه در بخش مشخصه‌یابی آورده شده است. از جمله سایر کاربردهای آن می‌توان به جرقه‌زن فندک، موتورهای پیزوالکتریک، بازسازی بافت و استانداردسازهای فرکانس اشاره نمود. در این مقاله هدف بررسی کاربردپیزوالکتریک‌ها به عنوان یک تولیدکننده انرژی یا همان نانوژنراتورها است [۱].

شکل۱- استفاده از ماده پیزوالکتریک در انبرک STM

۳- نانوژنراتور

معروف‌ترین نانوژنراتور نانوسیم‌های اکسیدروی هستند. با استفاده از نانوسیم‌های اکسیدروی می‌توان از حرکات مکانیکی مختلف انرژی الکتریکی تولید نمود. از جمله آنها می‌توان به تنفس انسان، ضربان قلب و فشار خون، باد، امواج دریا، حرکات انسان‌ها، حرکات خودروها و جریان هوا اشاره نمود. از انرژی الکتریکی تولید شده می‌توان در مواردی همچون تامین انرژی نانوربات‌ها در داخل بدن، سنسورهای بی‌سیم و دستگاه‌های الکترونیکی شخصی استفاده نمود.

در شکل۲، استفاده از نانوژنراتور نانوسیم اکسیدروی در تولید انرژی الکتریکی از حرکت خودروها بر روی دست انداز جاده آورده شده است. با قرارگیری این نانوژنراتورها درون دست انداز، با حرکت خودروها بر روی دست انداز به صورت پیوسته کار مکانیکی انجام می‌شود و نانوژنراتورها نیز آن را به صورت انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند [۱].

شکل۲- استفاده از نانوسیم‌های اکسید روی به عنوان نانوژنراتور برای تولید الکتریسیته از حرکت خودروها بر روی صفحه نانوژنراتور [۱]

همچنین در مواردی از ترکیب نانوژنراتور با سایرادوات الکترونیکی همچون سلول‌های خورشیدی استفاده شده است. برای مثال در شکل۳ به صورت هیبریدی از نانوژنراتور و سلول خورشیدی در یک دستگاه استفاده شده است. در این صورت تغییرات کار مکانیکی در محیط و هم از نور خورشید به صورت همزمان می‌توان انرژی الکتریکی تولید نمود. این حالت برای سلول‌های خورشیدی منعطف که بر روی سطوح متحرک هستند مطلوب است [۲].

شکل۳- استفاده از نانوژنراتور و سلول خورشیدی به صورت هیبریدی[۲]

۱-۳- بررسی نانوژنراتورها

برای بررسی خاصیت پیزوالکتریک نانوسیم‌های اکسید روی می‌توان از میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) در حالت تماسی استفاده نمود. در این حالت مطابق شکل۴ نانوسیم‌ها به موازات هم بر روی یک سطح قرار دارند و نوک میکروسکوپ AFM با آنها برخورد می‌کند و باعث ایجاد کار مکانیکی در آنها می‌شود. با این کار می‌توان میزان خم شدن و انرژی الکتریکی تولید شده به وسیله آنها را محاسبه و بررسی نمود [۳].

شکل۴- الف) ایجاد انحنا در نانوسیم اکسیدروی و بررسی انرژی الکتریکی ایجادی و ب) نانوسیم‌های اکسیدروی که به صورت موازی بر روی سطح رشد نموده‌اند [۳]

۲-۳- اثر دما بر روی عملکرد نانوژنراتورها

عملکرد پیزوالکتریک‌ها با افزایش دما کاهش می‌یابد و تقریبا در دمایی به نام دمای کوری به صفر می‌رسد. در نتیجه باید در کاربردهایی که مدنظر است اثر دما نیز لحاظ شود و دمای کوری نانوژنراتور مورداستفاده با دمای محیط موردنظر مقایسه شود [۴].

۳-۳- اثر شکل بر روی خاصیت پیزوالکتریسیته

بررسی‌های مختلف نشان داده است که بهترین خاصیت پیزوالکترسیته در نانوسیم‌های پیزوالکتریک همچون نانوسیم اکسیدروی مشاهده می‌شود. مطالعات نشان داده است که نانوسیم‌های پیزوالکتریک نسبت به لایه‌های نازک پیزوالکتریک می‌توانند تا ۴۰۰-۵۰۰ درصد عملکرد بهتری از خود نشان دهند. همچنین خواص مکانیکی در نانوسیم‌ها بهتر است و در نتیجه آن انعطاف‌پذیری نانوسیم‌ها بیشتر از سایر اشکال است. انعطاف‌پذیری بیشتر نیز به معنای ایجاد کرنش و کار مکانیکی بیشتر در نانوژنراتور و در نتیجه آن تولید مقادیر بیشتری از الکتریسیته است. همچنین نانوسیم‌ها حساسیت بیشتری به نیروهای کم دارند و با کمترین نیرو تغییر شکل مکانیکی می‌دهند و درنتیجه الکتریسیته تولید می‌کنند. دلیل این امر ضخامت کم آنها و نسبت طول به عرض بسیار بالای آنها در مقایسه با سایر اشکال است [۵].

۴-۳- استفاده از نانوژنراتورها برای تامین انرژی نانوربات‌ها

مهم‌ترین کاربرد فعلی نانوژنراتورها که تحقیقات فراوانی در این زمینه در حال انجام است؛ استفاده از نانوژنراتورها برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز نانوربات‌هایی است که در بدن انسان یا سایر جانداران فعالیت می‌کنند. با توجه به ابعاد کوچک نانوربات‌ها، امکان استفاده از باتری بزرگ برای آنها نیست. در نتیجه مدت زمان کوتاهی درون بدن می‌توانند به فعالیت خود ادامه دهند. اما با استفاده از نانوژنراتورها در کنار نانوربات‌ها، می‌توان به صورت پیوسته انرژی الکتریکی مورد نیاز آنها را تامین نمود. در بدن انسان منابع گوناگونی برای تامین کارمکانیکی نانوژنراتورها وجود دارد؛ از جمله آنها می‌توان به تنفس انسان، ضربان قلب، انقباض و انبساط عضلات و جریان خون در رگ‌ها اشاره نمود. با توجه به مکان فعالیت نانوربات از هرکدام از این منابع می‌توان جهت تولید الکتریسیته استفاده نمود. اصطلاحا در این حالت گفته می‌شود که از انرژی بیومکانیکی بدن برای تولید الکتریسیته استفاده شده است [۳,۵].

۵-۳- سایر نانومواد شناخته شده به عنوان پیزوالکتریک

در این مقاله بیشتر از نانوسیم‌های اکسیدروی به عنوان نانوژنراتور نام برده شد. دلیل این امر، قدرت پیزوالکتریکی بالای نانوسیم‌های اکسیدروی در کنار خواص مکانیکی مطلوب آنها و قیمت تمام شده مناسب آنها می‌باشد. اما از نانومواد دیگری همچون تیتانیات زیرکونات سرب ($\mathrm{PZT}$)^[5]، سولفید کادمیم، تیتانیات باریم، نیترید گالیوم و پلی‌وینیلیدن فلوراید ($\mathrm{PVDF}$)^[6] نیز به این منظور استفاده می‌شود. برای مثال PVDF به دلیل اینکه یک پلیمر است به تنهایی یا در کنار سایر نانوژنراتورها به وفور استفاده می‌شود. دلیل این امر این است که PVDF به خاطر خاصیت پلیمری خود دارای انعطاف پذیری بالایی است که اجازه تغییر شکل بیشتر و درنتیجه تولید انرژی الکتریکی بیشتر را می‌دهد. در این مواد نیز بهترین عملکرد متعلق به شکل نانوسیم هرکدام از آنها است [۲,۳].

۶-۳- روش‌های سنتز و ساخت نانوژنراتورها

برای سنتز و ساخت نانوژنراتورها از روش‌های مختلفی همچون سل‌ژل همراه با قالب، هیدروترمال، الکتروریسی، فناوری‌های سنترینگ، رسوب‌دهی شیمیایی فاز بخار و رسوب‌دهی فیزیکی فاز بخار استفاده شده است. در این روش‌ها گاهی اوقات نانوژنراتور به تنهایی به اشکال مختلف ( صفر بعدی تا سه بعدی) سنتز و استفاده شده است و گاهی دیگر به همراه سایر مواد نانوکامپوزیت آن ساخته شده است. برای مثال از نانوکامپوزیت PVDF و یک نانوژنراتور دیگر مثل نانوسیم اکسید روی استفاده شده است که در این مثال هردو ماده پیزوالکتریک هستند [۱,۲,۳,۵].

۴- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

پیزوالکتریک‌ها موادی هستند که کار مکانیکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند یا بالعکس. نانوژنراتورهایی همچون نانوسیم اکسیدروی نیز با استفاده از همین خاصیت کارهای مکانیکی مختلف را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. از مهم‌ترین کاربرد آنها تامین انرژی الکتریکی از انرژی بیومکانیکی بدن است. از این انرژی الکتریکی در نانوربات‌ها می‌توان استفاده نمود. منبع این انرژی بیومکانیکی نیز تنفس، ضربان قلب، فشار خون و یا انبساط و انقباض عضله می‌تواند باشد.

برای مطالعه مطالب علمی بیشتر به صفحه مقالات آموزشی سایت باشگاه نانو مراجعه نمایید.

۵- مراجع

[1].Wang, Sihong, Long Lin, and Zhong Lin Wang. "Nanoscale triboelectric-effect-enabled energy conversion for sustainably powering portable electronics." Nano letters 12.12 (2012): 6339-6346.

[2]. Hansen, Benjamin J., et al. "Hybrid nanogenerator for concurrently harvesting biomechanical and biochemical energy." ACS nano 4.7 (2010): 3647-3652.

[3]. Wang, Zhong Lin, and Jinhui Song. "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays." Science 312.5771 (2006): 242-246.

[4]. Zhang, Jin, Chengyuan Wang, and Chris Bowen. "Piezoelectric effects and electromechanical theories at the nanoscale." Nanoscale 6.22 (2014): 13314-13327.

[5]. Wang, Xudong. "Piezoelectric nanogenerators—Harvesting ambient mechanical energy at the nanometer scale." Nano Energy 1.1 (2012): 13-24.

۶- پاورقی

[1] Piezoelectric

[2] Lead zirconatetitanate

[3]Polyvinylidenefluride

[4] Scanning tunneling microscopy

[5] Lead zirconatetitanate

[6]Polyvinylidenefluride