- این ماده سه عملکرد جذب، ذخیره و آزادسازی انرژی را در یک سامانه واحد انجام میدهد.
- ژل تشکیلشده میتواند انرژی را برای چندین ماه نگه دارد.
- ماده حتی در تاریکی نیز قادر به انجام واکنشهای شیمیایی است.
پژوهشگران موفق به توسعه ماده مایع نوآورانهای شدهاند که میتواند انرژی را جذب کند، آن را برای مدت طولانی ذخیره کند، سپس هر زمان که لازم باشد آزاد سازد. این ماده برخلاف فناوریهای متداول، سه عملکرد جذب انرژی، ذخیرهسازی و استفاده از انرژی را در یک سیستم واحد ترکیب میکند.
ویژگی منحصربهفرد این فناوری در آن است که هنگام شارژ شدن، ساختار داخلی خود را بازسازی میکند؛ فرآیندی که شباهت زیادی به رفتار سلولهای زنده دارد. این دستاورد میتواند مسیر جدیدی برای ذخیرهسازی انرژیهای تجدیدپذیر بدون وابستگی به فلزات مورد استفاده در باتریهای رایج ایجاد کند.
یک مولکول با سه وظیفه متفاوت
در چند دهه گذشته، دانشمندان مواد متعددی طراحی کردهاند که میتوانند انرژی نور یا الکتریسیته را جذب کنند. با این حال، انرژی جذبشده معمولاً یا بلافاصله مصرف میشود یا برای ذخیرهسازی به دستگاه دیگری منتقل میگردد.
تیمی به سرپرستی Samuel I. Stupp، استاد مهندسی و علوم مواد در Northwestern University، تصمیم گرفت مادهای طراحی کند که هر سه وظیفه جذب، ذخیره و آزادسازی انرژی را به تنهایی انجام دهد.
نتیجه، مادهای است که بیش از آنکه شبیه یک دستگاه باشد، رفتاری مشابه یک سامانه زنده دارد. این ماده شارژ میشود، تغییر شکل میدهد، انرژی خود را مصرف میکند، سپس در تماس با هوای آزاد به حالت اولیه بازمیگردد و برای چرخه بعدی آماده میشود.
الهام از اسکلت سلولی موجودات زنده
Stupp الگوی اصلی این فناوری را از درون سلولهای زنده الهام گرفت. هر سلول دارای شبکهای از رشتههای پروتئینی به نام اسکلت سلولی است که شکل سلول را حفظ میکند و در حرکت و تقسیم سلولی نقش دارد.
برخلاف اسکلت جانوران که ساختاری ثابت دارد، اسکلت سلولی دائماً در حال تخریب و بازسازی است. اجزای آن بسته به نیاز سلول بهطور مداوم جایگزین میشوند.
ماده جدید نیز رفتاری مشابه دارد. زمانی که انرژی ذخیره میشود، مولکولها به ساختارهای بزرگتر متصل میشوند. هنگام آزادسازی انرژی، این ساختارها دوباره از هم جدا میشوند. این چرخه ساخت و تخریب، بخش اصلی عملکرد ماده محسوب میشود.
ماده جدید چگونه انرژی را ذخیره میکند؟
این سامانه از یک مولکول ویژه تشکیل شده که دو بخش اصلی دارد:
- بخش اول انرژی ورودی را جذب میکند.
- بخش دوم الکترونهای آزادشده را دریافت و ذخیره میکند.
این دو بخش در کنار یکدیگر فرآیند خودآرایی یا Self-Assembly را هدایت میکنند و بدون نیاز به قالب خارجی، ساختارهای منظم ایجاد میکنند.
هنگامی که انرژی وارد سیستم میشود، بخش اول الکترونها را به بخش دوم منتقل میکند. پژوهشگران معتقدند مولکولهای باردار سپس به صورت جفت درآمده و به شکل نوارهای بسیار ریز کنار یکدیگر قرار میگیرند.
این نوارها به مرور در هم تنیده میشوند تا مایع زردرنگ به ژل سیاهرنگی تبدیل شود.
به گفته محققان، تاکنون هیچ ساختاری مشابه این نوارها ساخته نشده بود. این نخستین ماده خودآرایی است که از جفتهای مولکولی ذخیرهکننده الکترون تشکیل شده و میتواند بار الکتریکی را برای چندین ماه حفظ کند.
ذخیره انرژی برای استفاده در تاریکی
ژل شارژشده تنها یک مخزن انرژی نیست، بلکه میتواند واکنشهای شیمیایی واقعی را نیز انجام دهد.
در آزمایشها، این ژل انرژی ذخیرهشده خود را به اکسیژن منتقل کرد و مولکولهای واکنشپذیری ایجاد نمود که بدون نیاز به نور، واکنشهای شیمیایی را به حرکت درآوردند.
گروه تحقیقاتی Stupp این فرآیند را Dark Photocatalysis یا فوتوکاتالیز تاریک نامیده است؛ یعنی انجام واکنشهای شیمیایی مشابه فرآیندهای نوری با استفاده از انرژی ذخیرهشده قبلی.
این ویژگی تفاوت مهمی با مواد جذبکننده نور قبلی دارد. بسیاری از فناوریهای پیشین میتوانستند واکنشهای مفیدی مانند تولید هیدروژن از آب را انجام دهند، اما بلافاصله پس از قطع نور متوقف میشدند.
Stupp میگوید:
«بیشتر مواد مبتنی بر نور، پس از حذف منبع نور از کار میافتند.»
اما ژل جدید به دلیل ذخیره انرژی در ساختار داخلی خود، حتی در تاریکی نیز به فعالیت ادامه میدهد.
بازگشت به حالت اولیه تنها با هوا
تخلیه انرژی تنها نیمی از چرخه عملکرد این ماده است.
برای بازگشت به وضعیت اولیه، ژل فقط به تماس با هوای آزاد نیاز دارد.
اکسیژن موجود در هوا ساختار ژل را تجزیه میکند و ژل سیاهرنگ دوباره به مجموعهای از مولکولهای پراکنده در یک مایع زرد تبدیل میشود.
سپس فرآیند شارژ مجدداً آغاز میشود.
نکته مهم این است که فرقی ندارد انرژی از چه منبعی تأمین شود:
- نور خورشید
- الکتریسیته
- اشعه ایکس
- سوختهای شیمیایی
در همه موارد، نتیجه نهایی تشکیل همان ژل سیاهرنگ خواهد بود.
نور مزیت دیگری نیز دارد. از آنجا که تنها محل تابش نور دچار تغییر میشود، پژوهشگران میتوانند الگوهای رسانای میکروسکوپی در ماده ایجاد کنند. این الگوها پس از بازنشانی ماده ناپدید میشوند و سطحی کاملاً خالی باقی میماند.
کاربردهای احتمالی در ذخیرهسازی انرژی پاک
این فناوری برای حل یکی از چالشهای مهم انرژیهای تجدیدپذیر توسعه یافته است: ذخیره انرژی خورشیدی برای استفاده در شب یا روزهای ابری.
به گفته Stupp:
«ماده ما برای ذخیرهسازی انرژی، همان عملکرد یک باتری را انجام میدهد.»
اما برخلاف باتریهای رایج:
- کاملاً در آب کار میکند.
- به فلزات وابسته نیست.
- از پلاستیکهای متداول در باتریها استفاده نمیکند.
- قابلیت شارژ مجدد مکرر دارد.
در حال حاضر میزان انرژی ذخیرهشده محدود است، اما کاربردی محسوب میشود. برآورد Stupp نشان میدهد تنها یک گرم از این ماده میتواند انرژی کافی برای شارژ یک ساعت هوشمند یا ابزار پوشیدنی مشابه را ذخیره کند.
در صورت توسعه در مقیاس بزرگتر، این فناوری میتواند در حوزههای زیر مورد استفاده قرار گیرد:
- الکترونیک نرم و انعطافپذیر
- سامانههای انرژی پاک
- فناوریهای پاکسازی محیط زیست
آینده مواد خودسازمانده و ذخیره انرژی
پیش از این پژوهش، هیچ مادهای با بازسازی فیزیکی ساختار خود قادر به ذخیرهسازی انرژی نبود.
اکنون این ماده جدید نشان داده است که میتوان با الگوبرداری از سلولهای زنده، انرژی را از طریق چرخه ساخت و تخریب ساختارهای مولکولی ذخیره و آزاد کرد.
این دستاورد مسیر تازهای برای ذخیره انرژیهای تجدیدپذیر بدون وابستگی به استخراج فلزات مورد نیاز باتریها ایجاد میکند. تنها آب، مولکولهای ویژه و هوای آزاد برای عملکرد چرخه کافی هستند.
اگرچه هنوز فاصله زیادی میان یک گرم ژل آزمایشگاهی تا یک محصول تجاری وجود دارد، اما اصل فناوری با موفقیت اثبات شده است.
اکنون مشخص شده که یک ماده میتواند با تخریب و بازسازی مداوم خود، همانند سلولهای زنده، انرژی را ذخیره و در زمان نیاز آزاد کند.
نتایج این پژوهش در نشریه Chem منتشر شده است.
سوالات متداول
این ماده جدید چه تفاوتی با باتریهای معمولی دارد؟
این ماده در آب کار میکند، به فلزات وابسته نیست و هنگام ذخیره انرژی ساختار خود را بازسازی میکند.
انرژی ذخیرهشده چه مدت باقی میماند؟
بر اساس نتایج پژوهش، ژل میتواند بار الکتریکی را برای چندین ماه حفظ کند.
آیا این ماده بدون نور هم کار میکند؟
بله. انرژی ذخیرهشده میتواند واکنشهای شیمیایی را حتی در تاریکی فعال نگه دارد.
منابع انرژی قابل استفاده برای شارژ این ماده چیست؟
نور خورشید، الکتریسیته، اشعه ایکس و سوختهای شیمیایی میتوانند آن را شارژ کنند.
آیا این فناوری به مرحله تجاری رسیده است؟
خیر. فناوری هنوز در مرحله پژوهشی قرار دارد و برای کاربردهای صنعتی به توسعه بیشتری نیاز دارد.
جمعبندی
ماده مایع ذخیره انرژی معرفیشده توسط پژوهشگران Northwestern University رویکردی کاملاً جدید برای ذخیرهسازی انرژی ارائه میدهد. این فناوری با الهام از سلولهای زنده، انرژی را جذب میکند، برای ماهها نگه میدارد، در تاریکی آزاد میسازد و سپس تنها با قرار گرفتن در معرض هوا به حالت اولیه بازمیگردد.
اگر این فناوری در مقیاس صنعتی توسعه یابد، میتواند نقش مهمی در آینده انرژیهای تجدیدپذیر، الکترونیک انعطافپذیر و فناوریهای پاک ایفا کند.
