محققان فناوری نانو در حال توسعه و تکمیل محصول فناورانه جدیدی با عنوان "لباس مولد" هستند که برای به کار انداختن دستگاه های برقی کوچک برق تولید می کند. این لباس برای سربازان در میدان جنگ، دوندگان و سایر افرادی که از فعالیت فیزیکی آن ها می توان برای تبدیل به انرژی الکتریکی استفاده نمود، مناسب است.
شماره 14 فوریه مجله Nature جزییات این موضوع را که چگونه الیاف پارچه های پوشش داده شده با اکسید روی به شکل سیم های با ابعاد نانو می تواند با استفاده از اثر پیزو الکتریک جریان الکتریسته تولید کند شرح داده است. ترکیب جریان های ایجاد شده از زوج لیف های بافته شده به صورت پیراهن یا جلیقه امکان ایجاد جریان الکتریسیته را به واسطه حرکت صاحب لباس ممکن می سازد. همچنین این الیاف را می توان به شکل پرده، چادر و یا سایر تجهیزات مورد نیاز تبدیل نمود تا انرژی حرکتی باد، لرزش های صوتی و یا سایر انرژی های مکانیکی را به انرژی الکتریکی مبدل سازد.
پرفسور Zhong Lin Wang استاد دپارتمان دانش مواد و مهندسی انستیتو فناوری جورجیای آمریکا می گوید: "نانو نیروگاه های بر پایه الیاف راهی اقتصادی و ساده برای به دست آوردن انرژی از حرکت فیزیکی هستند. اگر ما تعدادی از این الیاف را به صورت دو یا سه لایه در لباس ها استفاده کنیم یک منبع تولید انرژی منعطف، قابل پوشیدن و قابل تا کردن در اختیار داریم که به افراد امکان تولید انرژی مورد نیاز برای به کار انداختن وسایل الکتریکی شان در حین راه رفتن را می دهد". این تحقیق با کمک مالی National Science Foundation وزارت انرژی آمریکا و مرکز نانو فناوری Emory-Georgia انجام شده است.
سیستم هیبریدی نانو سیم-میکرو الیاف نانو نیروگاه هایی را می سازد که تیم تحقیقاتی Wang پیش از این اطلاعاتی از آن را در مجله Science ماه آوریل 2007 منتشر کرده بود. این سیستم جریان را توسط آرایه ای از نانو سیم های اکسید روی آرایش یافته به صورت عمودی برروی الکترود های حاوی پلاتین هادی الکریسیته ایجاد می کند. این نانو نیروگاه ها طوری طراحی شده اند که انرژی را از منابع محیطی مانند امواج فوق صوت، لرزش های مکانیکی و یا جریان خون به برق تبدیل نمایند.
نانو نیروگاه های تیم تحقیقاتی Wang با استفاده از ویژگی بی نظیر پیزو الکتریک و نیمه هادی زوج نانو ساختار های اکسید روی کار می کنند که جریان الکتریسیته کمی را هنگامی که خم می شوند تولید می کنند. پس از یک سال تلاش، نانو نیروگاه های اولیه این تیم تحقیقاتی می توانستند در ابعاد 2 در 3 میلی متر مربع تا 800 نانو آمپر و 20 میلی ولت برق تولید کنند. نیروگاه های میکرو لیفی نیز بر پایه همین اصل فیزیکی کار می کنند اما از مواد نرم تر ساخته شده اند و طوری طراحی شده اند که الکتریسیته را از انرژی مکانیکی با فرکانس پایین تولید کنند. آن ها حاوی الیاف کولار ساخت شرکت Dopunt هستند که نانو سیم های اکسید روی به صورت شعاعی برروی رشته پلیمر رشد داده شده اند و چیزی مانند نمای میکروسکوپی شیشه شوی بچه ها را که میلیارد ها رشته بر دور آن قرار دارد، به وجود می آورند.
یکی از لیف ها در هر زوج با طلا پوشش داده شده است تا همانند الکترود عمل کند. به گفته پروفسور Wang دو لیف در تماس با یکدیگر همدیگر را همانند دو شیشه شوی در تماس به شدت مالش می دهند و فرآیند پیزو الکتریک-نیمه هادی حرکت مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند. تعداد زیادی از این لیف ها در کنار یکدیگر می توانند توان خروجی بالاتری به وجود آورند. Wang و دو همکارش؛ Xudong Wang و Yong Qin بیش از 200 نانو نیروگاه ساخته اند. هر کدام از آن ها نیز در دستگاهی که از یک چرخ و فنر برای حرکت الیاف در کنار یکدیگر استفاده می کنند آزمایش شده اند. الیاف تا 30 دقیقه به یکدیگر مالیده شده اند تا پایداری و میزان تولید نیرویشان سنجیده شود.
تاکنون محققان توانسته اند در حدود 4 نانو آمپر جریان و ولتاژی در حدود 4 میلی ولت از نانو نیروگاهی شامل دو لیف که هر کدام یک سانتی متر طول دارند به دست آورند. Wang معتقد است که با بهبود طراحی و با استفاده از یک متر مربع پارچه ساخته شده از الیاف مخصوص بتوان به صورت تئوری تا 80 میلی وات توان تولید نمود.
تولید نانو الیاف نانو نیروگاه ها با پوشش دهی 100 نانومتر لایه هسته گذار اکسید روی برروی الیاف کولار آغاز می شود. سپس الیاف در یک محلول واکنش زا به مدت 12 ساعت غوطه ور می شوند که موجب می شود نانو سیم ها در دمای 80 درجه سانتی گراد از لایه هسته گذار شروع به رشد نمایند. این رشد موجب پوشش یکنواخت الیاف با طول تقریبی 5/3 میکرون و چند صد نانو متر بین الیاف می شود. برای متصل نگاه داشتن نانو سیم ها به الیاف کولار محققان دو لایه تترا اتوکسیلان (TEOS) را به الیاف اعمال می کنند. Wang می گوید: "ما ابتدا الیاف را با پلیمر پوشش می دهیم. پس از آن لایه اکسید روی برروی آن اعمال می شود. سپس ما نانو سیم ها را رشد می دهیم و سپس دوباره الیاف را با پلیمر پوشش می دهیم. این موضوع ما را از جدا نشدن نانو سیم ها از الیاف در اثر مالش شدید مطمئن می سازد".
محققان در نهایت یک لایه 300 نانومتری از طلا را به بعضی از نانو سیم هایی که کولار را پوشش داده اند اعمال می کنند. پس از آن دو رشته الیاف متفاوت با یکدیگر زوج شده و به یکدیگر تابیده می شوند تا از تماس لیف پوشش داده شده با طلا با لیفی که تنها با نانو سیم های اکسید روی پوشش داده شده است اطمینان حاصل شود. الیاف طلایی همانند مانع Shottky در برابر اکسید روی عمل می کنند و جایگزین الکترود پلاتین در نانو نیروگاه های اولیه شده اند.
برای اطمینان از این که جریان اندازه گیری شده تنها در نتیجه اثر پیزو الکتریک-نیمه هادی و نه الکتریسیته ساکن تولید می شوند، محققان آزمایش های متعددی انجام داده اند. آن ها تلاش کرده اند تا الیاف طلایی و الیاف پوشش داده شده تنها با نانو سیم های اکسید روی را به یکدیگر بمالند اما هیچ کدام از آن ها تولید جریان برق نکرده اند. همچنین آن ها قطبیت اتصالات را عوض کرده اند که موجب تغییر خروجی جریان و ولتاژ نهایی شده است.
به گزارش سانا، ه عنوان قدم بعدی محققان تلاش می کنند تا چندین نانو لیف را برای افزایش جریان و ولتاژ خروجی ترکیب کنند. آن ها همچنین برای بهبود هدایت پذیری الیاف برنامه ریزی نموده اند. با وجود این، هنوز یک چالش بزرگ بر سر راه تولید "لباس های مولد" وجود دارد: شستن لباس. اکسید روی به رطوبت حساس است و بنابراین در لباس های واقعی، نانو سیم ها می باید در مقابل اثر ماشین لباس شویی محافظت شوند.
منبع: انستیتو فناوری جورجیا