یک تلفن همراه خودتغذیه را در نظر بگیرید که هرگز نیاز به شارژ شدن ندارد چرا که امواج صوتی تولید شده توسط کاربر را تبدیل به انرژی مورد نیاز برای ادامه ی کار خود می کند. این امر که مرهون کار اخیر تاهیر کاگین، استاد بخش مهندسی شیمی Artie McFerrin دانشگاه Texas A&M، می باشد چندان هم که به نظر می رسد دور از دسترس نیست
به گزارش سرویس علم و فناوری پایگاه اطلاع رسانی صبا ، کاگین که تحقیق او بر روی نانوفن آوری تمرکز دارد، با استفاده از موادی که معروف به “فیزوالکتریک” می باشند، کشف مهمی در حوزه ی مهار انرژی انجام داده است – حوزه ای که قصد دارد دستگاه های خودتغذیه ای را توسعه دهد که نیازی به منابع تغذیه قابل جاسازی مجدد، مانند باتری ها، ندارند.
به طور مشخص، کاگین و همکارانش از دانشگاه هوستون به این کشف دست یافتند که نوع خاصی از مواد فیزوالکتریک می توانند انرژی را با ۱۰۰ درصد افزایش تبدیل کنند به این شرط که در ابعاد بسیار کوچکی – در این مورد، حدود ۲۱ نانومتر ضخامت – ساخته شوند. مطلب دیگر این که، وقتی در ابعاد بزرگ تر یا کوچک تر از این ابعاد معین ساخته می شوند، کاهش قابل توجهی در ظرفیت تبدیل انرژی خود نشان می دهند.
یافته های وی که با جزئیات کامل در مقاله ی منتشر شده در “Physical Review B”، مجله ی علمی انجمن فیزیک امریکا، در همین پاییر آمده است، بالقوه می تواند اثرات عمیقی در دستگاه های الکترونیکی توان پایین مانند تلفن های همراه، رایانه های قابل حمل، ارتباطگرهای شخصی و دیگر دستگاه های مرتبط رایانه ای داشته باشد که توسط هر فردی از مصرف کننده ی معمولی گرفته تا ماموران اجرای قانون و حتی سربازان حاضر در میدان جنگ مورد استفاده قرار گیرد.
اگرچه موضوع مورد مطالعه ی کاگین در مقیاس کوچک است، تاثیرش می تواند بزرگ باشد. کشف وی منجر به پیشرفت در حوزه ای از مطالعات خواهد شد که به علت تقاضای زیاد مصرف کنندگان برای دستگاه های قابل حمل فشرده و بی سیم با طول عمر زیاد، بیش از پیش رواج خواهد یافت.
طول عمر باتری همچنان یکی از دغدغه های اصلی برای پخش کننده های ام پی تری و تلفن های همراه می باشد. اما گذشته از راحتی مصرف کنندگان، دستگاه های خودتغذیه از اصلی ترین مسائل مورد علاقه ی برخی از آژانس های فدرال می باشند. آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی امریکا، در حال بررسی روش هایی برای سربازان میدان جنگ می باشد تا توان لازم برای تجهیزات قابل حمل آن ها را از طریق انرژی مهار شده از پیاده روی به سادگی تولید کنند. و حسگرهایی مانند آن چه برای آشکارسازی مواد منفجره استفاده می شود، می توانند از فن آوری خودتغذیه تا حد زیادی سود ببرند که این امر نیاز به آزمایش و جایگزینی باتری ها را کاهش می دهد.
کاگین گفت: “حتی آشفتگی های ایجاد شده در شکل امواج صوتی مانند امواج فشار در گازها، مایعات و جامدات نیز به منظور تغذیه ی دستگاه های نانو و میکرو آینده قابل مهار می باشند اگر این مواد به طور مناسب و با این هدف، پردازش و ساخته شوند.”
به گفته ی کاگین، کلید این فن آوری، فیزوالکتریک ها می باشند. ریشه ی این اصطلاح، کلمه ی یونانی “پیزین” به معنای فشار می باشد. فیزوالکتریک ها موادی هستند (معمولا کریستال یا سرامیک) که به هنگام اعمال شکلی از فشار مکانیکی، ولتاژ تولید می کنند. به عکس، به هنگام اعمال یک میدان الکتریکی به آن ها، تغییری در ویژگی های فیزیکی آن ها ایجاد می شود.
فیزوالکتریک مفهوم چندان جدیدی نیست و توسط دانشمندان فرانسوی در دهه ی ۱۸۸۰ کشف شد. برای اولین بار در جنگ جهانی اول در دستگاه های سونار مورد استفاده قرار گرفتند. امروزه این مواد در میکروفن ها و ساعت های کوارتز یافت می شوند. فندک های موجود در خودروها نیز دارای فیزوالکتریک می باشند. فشار دادن دکمه ی فندک به سمت پایین، روی یک کریستال فیزوالکتریک اثر می گذارد که این امر به نوبه ی خود، ولتاژ کافی برای ایجاد یک جرقه و آتش گرفتن گاز را تامین می نماید.
در مقیاس بزرگ تر، برخی از باشگاه های شبانه در اروپا دارای کف های رقص ساخته شده با فیزوالکتریک می باشند که انرژی ناشی از فشار پاها را جذب و تبدیل می کند تا به تغذیه ی چراغ های باشگاه کمک نماید. همچنین طبق گزارشات، یک سالن ورزشی در هنگ کنگ از این فن آوری برای تبدیل انرژی تمرین کنندگان جهت کمک به تغذیه ی لامپ ها و موسیقی آن جا بهره می برد.
به گفته ی کاگین، همچنان که پیشرفت ها در این کاربرد به راه خود ادامه می دهند، کار فیزوالکتریک در مقیاس نانو یک تلاش نسبتا جدید با جنبه های مختلف و پیچیده ای می باشد که باید ملاحظات آن در نظر گرفته شود. وقتی چنان تغییر قابل توجهی در مقیاس صورت می گیرد، مواد به شکل متفاوتی واکنش نشان می دهند.
کاگین، که دریافت کننده ی جایزه ی معتبر Feynman در زمینه ی نانوفن آوری است، گفت: “وقتی مواد تا ابعاد نانومقیاس پایین آورده می شوند، ویژگی هایشان برای برخی از مشخصه های کارایی به شدت تغییر می کند. مثال آن، مواد فیزوالکتریک می باشند. ما نشان داده ایم که وقتی شما به طول ویژه ای می روید – بین ۲۰ تا ۲۳ نانومتر – در واقع ظرفیت مهار انرژی را تا ۱۰۰ درصد افزایش می دهید.