طور علماء في جامعة واشنطن في سانت لويس مادة جديدة تعزز القدرة على تخزين الطاقة الكهروستاتيكية . تتكون المادة من هياكل متغايرة اصطناعية مصنوعة من أغشية مستقلة ثنائية وثلاثية الأبعاد، والتي تتمتع بكثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من المكثفات المتوفرة تجاريًا. وهذا سيسمح لنا ببناء مكثفات مبتكرة للغاية وتغيير طريقة عمل الإلكترونيات. رئيس البحث هو البروفيسور سانغ هون باي الذي وصف هذه المادة الجديدة للعلوم .
تلعب المكثفات الكهروستاتيكية دورًا حاسمًا في الإلكترونيات الحديثة. إنها تتيح الشحن والتفريغ بسرعة كبيرة، وتوفر الطاقة وتخزين الطاقة لأجهزة تتراوح من الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة وأجهزة التوجيه إلى الأجهزة الطبية وإلكترونيات السيارات والمعدات الصناعية. وتتمثل وظيفتها من ناحية في تصفية الإشارات الكهربائية وتحقيق الاستقرار فيها، والقضاء على الاضطرابات، ومن ناحية أخرى، تجميع الطاقة من أجل إطلاق نبضات متحكم فيها عند الحاجة. هذه النقطة الثانية تجعل الطاقة التي يمكن تجميعها بواسطة المكثف مهمة.
ومع ذلك، فإن المواد الكهروضوئية المستخدمة في المكثفات لديها خسارة كبيرة في الطاقة بسبب خصائصها المادية، مما يجعل من الصعب توفير سعة تخزين عالية للطاقة.
تتمتع الهياكل الاصطناعية المتغايرة المكونة من أغشية مستقلة ثنائية وثلاثية الأبعاد تم تطويرها بواسطة مختبر سانغ هون باي بكثافة طاقة تصل إلى 19 مرة أعلى من المكثفات المتوفرة تجاريًا
باي ومعاونوه، بما في ذلك روهان ميشرا، الأستاذ المشارك في الهندسة الميكانيكية وعلوم المواد، وتشوان وانغ، الأستاذ المشارك في الهندسة الكهربائية وهندسة النظم، في جامعة واشو، وفرانسيس روس، أستاذ TDK في علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، قدموا طريقة طريقة للتحكم في وقت الاسترخاء - وهي خاصية مادية داخلية تصف الوقت الذي يستغرقه الشحن لتبديد أو اضمحلال - للمكثفات الكهروضوئية باستخدام مواد ثنائية الأبعاد.
قام الفريق بتطوير هياكل متغايرة جديدة ثنائية وثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد يمكنها تقليل فقدان الطاقة مع الحفاظ على خصائص المواد المفيدة للمواد الكهروضوئية ثلاثية الأبعاد. يمزج نهجهم بذكاء المواد ثنائية وثلاثية الأبعاد في طبقات رقيقة ذريًا، مع روابط كيميائية وغير كيميائية مدروسة بعناية بين كل طبقة. يتم وضع نواة ثلاثية الأبعاد رفيعة جدًا بين طبقتين خارجيتين ثنائي الأبعاد لإنشاء مكدس يبلغ سمكه حوالي 30 نانومتر فقط. ويمثل هذا حوالي عُشر حجم جسيم الفيروس المتوسط. ومن الناحية العملية، تُصنع السندويشات من مواد ذات هياكل ذرية ثنائية وثلاثية الأبعاد متناوبة، وتتميز بصفاتها الفريدة في الحفاظ على الطاقة.
قال باي: "لقد أنشأنا هيكلًا جديدًا يعتمد على الابتكارات التي قمنا بها بالفعل في مختبري باستخدام مواد ثنائية الأبعاد". "في البداية، لم نركز على تخزين الطاقة، ولكن أثناء استكشاف خصائص المواد، وجدنا ظاهرة فيزيائية جديدة أدركنا أنه يمكن تطبيقها على تخزين الطاقة، وكانت مثيرة للاهتمام للغاية وربما أكثر فائدة بكثير" .
تم تصميم الهياكل المتغايرة ثنائية وثلاثية الأبعاد وثنائية الأبعاد بدقة لتوضع عند نقطة التوازن بين الموصلية وعدم الموصلية، حيث تتمتع المواد شبه الموصلة بخصائص كهربائية مثالية لتخزين الطاقة. وبهذا التصميم، أعلن باي ومعاونوه عن كثافة طاقة أعلى بما يصل إلى 19 مرة من المكثفات الكهروضوئية المتاحة تجاريًا، وحققوا كفاءة تزيد عن 90%، وهو أيضًا أمر غير مسبوق.
وقال باي: "في الأساس، الهيكل الذي طورناه هو مادة إلكترونية جديدة". "نحن لم نصل بعد إلى المستوى الأمثل بنسبة 100%، ولكننا نتفوق بالفعل على المختبرات الأخرى. وستكون خطواتنا التالية هي مواصلة تحسين هيكل هذه المادة، حتى نتمكن من تلبية الحاجة إلى الشحن والتفريغ فائق السرعة وكثافة الطاقة العالية جدًا في المكثفات. نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على القيام بذلك دون فقدان سعة التخزين بسبب الشحن المتكرر، لرؤية هذه المادة تستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات الكبيرة، مثل السيارات الكهربائية، وغيرها من التقنيات الخضراء النامية.
بفضل قناة Telegram الخاصة بنا، يمكنك البقاء على اطلاع دائم بما يتم نشره من مقالات السيناريوهات الاقتصادية الجديدة.
المقال الاختراق في عالم المكثفات: المواد فائقة الأداء تمهد الطريق للإلكترونيات الجديدة يأتي من Scenari Economici .