ترانزيستورها که ظهورشان به سال 1947 برمي گردد، اکنون بسيار کوچک تر شده، از وسايلي بدترکيب به ارتفاع نيم اينچ، مبدل به تجهيزاتي شده اند که قطعات آنها ابعاد حيرت آوري به اندازه چند صد اتم دارند. از طرف ديگر، باتري ها نيز ميزان توليد انرژي خود را آن هم در يک پنجاهم اين فضا، افزايش داده اند. ترانزيستورها که ظهورشان به سال 1947 برمي گردد، اکنون بسيار کوچک تر شده، از وسايلي بدترکيب به ارتفاع نيم اينچ، مبدل به تجهيزاتي شده اند که قطعات آنها ابعاد حيرت آوري به اندازه چند صد اتم دارند. از طرف ديگر، باتري ها نيز ميزان توليد انرژي خود را آن هم در يک پنجاهم اين فضا، افزايش داده اند. شرکت آزمايشگاه هاي بِل (Bell Laboratories) که روزي سازنده اولين نسل از ترانزيستورها بود، در حال حاضر در تلاش براي ابداع مجدد نسل جديدي از باتري هاست. هدف اين شرکت آن است که در توليد انبوه باتري هايي که مي توان آنها را به همراه شبکه اي از مدارهاي الکتريکي ديگر بر روي يک تراشه قرارداد، از روش هاي ساخت ترانزيستورها بهره گيرد. اين وسيله که نانوباتري ناميده مي شود، ويژگي هاي الکترودها را در مقياسي نانومتري، کوچک و متمرکز خواهد کرد. طراحي نانوباتري بگونه اي است که آن را حداقل به مدت 15 سال در خفا نگه داشته، شايد در اين مدت فقط از آن به عنوان منبع انرژي حسگرهايي که تشعشعات راديواکتيويته را پايش کرده يا مواد شيميايي سمي را رديابي مي کنند، استفاده شود. بعد از گذشت اين مدت، اين باتري ها ظاهر شده و به سرعت مبدل به يک منبع بزرگ انرژي خواهند شد. اين ايده به توليد اولين باتري هايي منجر مي شود که قادرند با خنثي نمودن مخلوط مواد شيميايي سمي داخل خود، خود را تميز نمايند.
رشد نانوسبزه ها
منشأ پيدايش نانوباتري ها به اقبال جدي آزمايشگاه هاي بِل به فناوري نانو در چند سال اخير بر مي گردد. در پاييز 2004 لوسِنت (Lucent)، شرکت مادرِ آزمايشگاه هاي بِل ، با همکاري دولت محلي و مؤسسه فناوري ايالت نيوجرسي به دنبال فراهم نمودن مقدمات تأسيس کنسرسيوم فناوري نانو در اين ايالت بود. ايده لوسِنت اين بود که خدمات پژوهش، توسعه و مدل سازي اوليه اين شرکت، از طريق اين کنسرسيوم در اختيار متخصصان فناوري نانو در صنايع، دانشگاه ها و سازمان هاي دولتي قرار گيرد. ديويد بيشاپ Bishop)David) معاون پژوهش هاي فناوري نانو در آزمايشگاهاي بِل، برگزاري همايش هايي را براي متخصصان اين شرکت آغاز کرد تا آنها بدين وسيله ايده هاي خود را در مورد اينکه چگونه پژوهش هايشان مي تواند کاربردهاي جديدي را براي اعضاي کنسرسيوم ياد شده به وجود آورد با هم درميان گذارند. تام کروپنکين (Tom Krupenkin) که يکي از ارائه کنندگان اين همايش ها بود، فعاليت هايي در مورد ريز عدسي هاي مايع که هم اکنون در تلفن هاي دوربين دار کاربرد دارند، انجام داده بود. اين عدسي ها متشکل از قطرات ريزي هستند که قادرند شکل و خواص کانوني خود را در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي بر سطحي که با آن در تماسند، تغيير دهند. اين سطوح که سطوح ترشونده الکتريکي ناميده مي شوند، در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتريکي، از سطوحي بسيار آب گريز (Superhyrophobic) به سطوحي آب دوست (Hydrophilic) تبديل مي شوند. آب گريزي شديد همان خاصيتي است که لغزيدن قطرات باران از پرهاي مرغابي و برگ هاي نيلوفر آبي را سبب شده و در نتيجه مانع از خيس شدن اين سطوح مي شود. قطرات مايع به دليل وجود کشش سطحي، تمايل به گلوله شدن دارند اما با اعمال نيروي جاذبه از سطحي که بر روي آن قرار دارند، به سرعت پخش مي شوند. آب بر روي چنين سطوح آب دوستي مانند شيشه پخش مي شود، اما بر روي سطوح آب گريز کاملاً به شکل گلوله درآمده و به هيچ وجه تعاملي با اين سطوح ندارد. کروپنکين بر اساس رفتار قطرات کوچک مايع بر روي سطوح آب گريز، چنين استدلال کرد که ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) را مي توان براي کنترل واکنش هاي شيميايي به خدمت گرفت. او طرحي را شامل چند رديف از ستون هاي بسيار آب گريز با قطر نانومتري که خاصيت ترشدگي الکتريکي (الکترووتينگ) هم داشتند، ترسيم نمود. اين ستون ها در زير ميکروسکوپ به منطقه اي از نانوسبزه هاي يکنواخت بريده شده، شباهت داشتند. اين نانوسبزه ها را مي توان بوسيله روش هاي معمول در صنايع ميکروالکترونيک به وجود آورد. دانشمندان با اعمال ولتاژ بر روي مايعِ قرارگرفته بر روي اين ستون ها، قادرند واکنشي را به وجود آورند که آب گريز شدن آنها را به دنبال داشته باشد. در نتيجه اين تغيير وضعيت، قطرات مايع در حد فاصل بين نانوستون ها به سمت پايين نفوذ خواهند کرد. بنابراين اين مايع قادر خواهد بود که با هر نانوسبزه اي متشکل از ستونهايي با قطر 300 نانومتر . ايده اي کاملاً جديد در مورد باتري ها. اين ساختارها تا موقع راه اندازي و استفاده از باتري، مايع الکتروليت را بالاي نانوسبزه نگاه مي دارد. ترکيبي که در انتهاي ستون ها قرار مي گيرد، وارد واکنش شود. کروپنکين از اين موضوع نتيجه گرفت که اين مايع را مي توان براي توليد انرژي در نانوباتري ها به خدمت گرفت. باتري ها اساساً رآکتورهاي شيميايي هستند. يک باتري يکبارمصرف از دو الکترود غوطه ور در مايع الكتروليت، يکي آند و ديگري کاتد تشکيل شده است. ترکيبات موجود در هر دو الکترود از طريق الکتروليت با هم واکنش مي دهند تا الکترون و جريان الکتريکي توليد کنند. اما مشکل اينجاست که اين واکنش ها زماني که باتري به وسيله اي وصل نيست و بلااستفاده است، نيز رخ مي دهند. يک باتري متوسط در هر سال 7 تا 10 درصد انرژي خود را زماني که از آن استفاده نمي شود، از دست مي دهد. در باتري هاي موسوم به باتري هاي ذخيره، براي جدانمودن الکتروليت از الکترودها در زمان غيرفعال بودن آنها، از موانعي فيزيکي استفاده مي شود. اين کار از انجام واکنش هاي شديد الکتروشيميايي که منجر به آزاد شدن انرژي زياد مي شود، جلوگيري مي کند. مشکل مکانيکي اين جداسازي، بزرگ و زمخت شدن باتري هاست؛ در نتيجه از آنها عمدتاً در موقعيت هاي اضطراري نظير واحدهاي مراقبت ويژه يا اتاق عمل بيمارستان ها يا مصارف نظامي نظير دوربين هاي ديد در شب يا روشن سازي ليزري، مي توان استفاده کرد. به کارگيري نانوسبزه ها، کوچک تر کردن باتري هاي ذخيره را نيز بسيار آسان تر مي کند. بر اساس توضيحات کروپنکين، دانشمندان قادرند باتري هايي را طراحي کنند که در آنها به جاي اينکه کليه مواد شيميايي در آنِ واحد واکنش کنند، فقط بخشي از ميدان نانوسبزه ها فعال شده و در واکنش شرکت نمايد. آزمايشگاه هاي بِل، بازاريابي و فروش ايده نانوسبزه را آغاز كرده است. بيشاپ مي گويد لوسِنت گرچه يک شرکت توليد باتري نيست اما مي خواهد كه آن را متحول کند. در همايشي که در اواخر سال 2003 برگزار شد، مسئولين شرکت ام فازmPhase) ( مطلبي که لوسِنت در مورد باتري هاي مبتني بر فناوري نانو ارائه داد را شنيدند. استيو سيمون(SteveSimon) معاون اجرايي مديريت مهندسي، پژوهش و توسعه اين شرکت از آن روز چنين ياد مي کند: ما اتاق را ترک کرديم و گفتيم خداي بزرگ!، ايده تکان دهنده اي بود. در آن زمان ام فاز يک شرکت توليدکننده تجهيزات خطوط مشترک ديجيتالDSL) ويدئويي) و باند عريض خانگي بود. گسترش سريع بازار سخت افزارهاي مخابراتي، ران دوراندو (Ron Durando)، رئيس هيئت مديره ام فاز، را بر آن داشت که اين شرکت را به يک تأمين کننده فناوري نانو مبدل کند. او به ويژه توليد وسيله اي را مدنظر داشت که توسعه آن مدت زيادي طول نکشد، کاربردهاي پزشکي نداشته باشد تا براي تکميل آن منتظر جواب آزمايش هاي باليني نماند و در نهايت در خدمت بازاري نظامي باشد که تامين هزينه هاي زياد تجهيزات فناوري نانو را در مراحل اوليه توليد، تقبل کند. به عقيده سيمون نانوباتري ها هرسه ويژگي فوق را دارا هستند.
طرح يک نانوباتري
نانوغشاي آزمايشي ساخته شده شرکت ام فاز و آزمايشگاه هاي بِل ، الکتروليت را از الکترودهاي مثبت و منفي (آند و کاتد) جدا مي کند. اين کار افزايش عمر باتري را به دنبال دارد. وقتي که از باتري استفاده نمي شود (شکل بالا) آند روي و کاتد دي اکسيد منگنز به صورت قطعه هاي مجزا از هم در کف باتري قراردارند. در بالاي آنها يک غشاي لانه زنبوري حفره دار از جنس سيليکون قرار دارد که با لايه اي از دي اکسيد سيليکون و پليمر فلوئورکربن پوشيده شده و بالاي اين غشاء محلول الکتروليت کلريد روي قرار گرفته است. در هنگام استفاده از باتري (شکل پايين) الکتروليت از غشاي لانه زنبوري نفوذ کرده و قطعه هاي آند و کاتد را در برمي گيرد، به محض برقرار شدن ارتباط بين آندها و کاتدها به وسيله مايع الکتروليت، واکنش هاي بين آنها براي توليد الکتريسيته آغاز مي شوند. در مارس 2004، ام فاز توافق نامه توسعه مشترکي را براي توليد تجاري نانوباتري ها با لوسِنت به امضا رسانيد. در حالي که اين شرکت به دنبال تحقيق در اين مورد بود که مشتريان بالقوه اين باتري ها، براي توليد وسايل و تجهيزات سودآور چه انتظاراتي دارند، شرکت لوسِنت اين فناوري را در عوض دريافت حق امتياز، اجازه استفاده از يک اتاق تميز به ارزش450 ميليون دلار (اتاق تميز محيطي عاري از هرگونه باکتري و گرد غبار است که از آن در توليد تجهيزات دقيق و حساس الکترونيکي و هوا فضا استفاده مي شود. م) و دسترسي به دانشمنداني با سالها تجربه در زمينه ساخت و توليد سيليکون ، به ام فاز واگذار نمود.
شروع به کار
تا سپتامبر 2004، دانشمندان براي توليد جريان الکتريسيته در آزمايشگاه هايشان تنها يک الگوي عملياتي در اختيار داشتند. اين گروه براي دستيابي به نمونه اوليه اين الگو، مجبور بودند ستون هاي سيليکوني با قطر تقريبي 300 نانومتر و فواصلي به اندازه دو ميکرون، به وجود آورند. آنان براي توليد الکتريسيته، همان ترکيباتي را به کارگرفتند که در باتري هاي قليايي معمولي وجود دارند، يعني فلز روي به عنوان آند و دي اکسيد منگنز به عنوان کاتد. بستر سيليکوني که اين ستون ها روي آن قرار مي گرفتند با فلز روي و خود ستون ها نيز با دي اکسيد سيليکون پوشيده شده بودند. اين کار به پژوهشگران امکان مي داد که ولتاژ باتري را کنترل نمايند. سرِ نانوستون ها نيز با لايه اي از مواد فلوئورکربن شبيه تفلون پوشيده شده بود. اين کار باعث مي شد که اين ستون ها از خود رفتار ترشدگي الکتريکي (الکترووِتينگ) نشان دهند. کروپنکين تأکيد مي کند كه انجام چنين کارهايي که ساده به نظر مي رسند، در عمل مشکل است. نشاندن فلز روي فقط در قسمت کف باتري، اشکالات بزرگي را يکي پس از ديگري سبب مي شد. دانشمندان معمولاً براي نشاندن اين فلز در اين مکان هاي به خصوص از فرايند آبکاري الکتريکي (Electoplating) استفاده مي کنند. اما اين فرايند در مورد اکسيدهايي مانند دي اکسيد سيليکون موجود در تجهيزات مبتني بر نانوسبزه، کارايي ندارد. بنابراين بايد روشي ابداع نمود که بستر سيليکوني را عاري از دي اکسيد سيليکون کرده، امکان نشاندن فلز روي را بر آن فراهم کند و در عين حال سيليکون موجود در پوشش ستون ها، دست نخورده باقي بماند. راه حل عبارت بود از پوشاندن بستر سيليکوني و ستون ها با اين اکسيد به طوري که لايه پوشش بستر، نازک ترين حالت ممکن را داشته باشد. اين اکسيد با استفاده از گاز يونيزه شده طوري از تمامي قسمتهاي باتري زدوده مي شد که ستون ها ي حاوي اين اکسيد و کف باتري عاري از آن باشد. چون هنوز هم نمي شد آبکاري الکتريکي را روي سطوح سيليکوني انجام داد، پژوهشگران با استفاده از روشهاي شيمياييِ تَر (wet-chemistry)، کفِ باتري را با لايه اي از فلزات نيکل و تيتانيوم به عنوان لايه بذري (Seed Layer) پوشش دادند. وجود اين فلزات باعث مي شود که فلز روي درحين آبکاري الکتريکي بر روي اين سطح بچسبد. نشاندن فلز روي به طور يکنواخت انجام شد به طوري که حتي برجستگي هاي کوچک اين فلز نيز در هيچ مکاني از کف باتري به وجود نيامد و انجام سعي و خطاهاي پرزحمت براي تغيير درجه حرارت، شدت جريان الکتريکي و غلظت مواد شيميايي تا رسيدن به وضعيت مطلوب، لازم نباشد. سيمون خاطرنشان مي کند: وقتي برمي گردم و به گذشته نگاه مي کنم شگفت زده مي شوم، انجام اين کار فقط يکسال طول کشيد. بعد از اينکه دانشمندان به نمونه اوليه اي از نانوباتر ي ها که به درستي عمل مي کرد دست يافتند، به گفت وگو با مشتريان بالقوه آن پرداختند. اين بحث ها رشد سريع اين باتري ها را به دنبال داشت. طرح اوليه شبيه به يک ساندويچ بود؛ به طوري که کاتد در بالا، محلول الکتروليت کلريد روي در وسط، نانوسبزه ها در زير الکتروليت و آند در کف باتري قرار داشتند. مقامات رسمي آزمايشگاه پژوهشي ارتش آمريکا در آدلفي مريلند در مورد اينکه شايد تماس مستقيم بين الکتروليت و هريک از الکترودها به بروز واکنش هاي شيميايي ناخواسته منجر شود، ابراز نگراني کردند. بعد از بازنگري طرح اوليه، الکتروليت در بالا، کاتد و آند به صورت قطعه هاي جداي از هم درکف، و يک غشاي نانوسيليکوني در وسط باتري قرار داده شد. در اين صورت وقتي باتري به کار مي افتد، الکتروليت از اين غشا نفوذ کرده و الکترودها را در برگيرد. گروه دانشمندان، در ابتدا براي جداکردن الکتروليت از آند، از نانوستون ها استفاده کردند، چون در اين صورت ستون ها حداقل فضاي ممکن را اشغال کرده، فضاي کافي بيشتري براي انجام واکنش بين الکترودها به وجود مي آمد. اما مشکل بودن طراحي و ساخت باتري هاي نانوستوني، آنان را بر آن داشت که به جاي اين کار، از غشاي لانه زنبوري استفاده کنند. ساخت غشاي ترشونده الکتريکي با حفره هاي 20 ميکروني و ديواره هاي نازک و شکننده اي با پهناي 600 نانومتر هم مشکل بزرگي بود. در ابتدا دانشمندان براي زدودن پوشش دي اکسيد سيليکون از ساختار ظريف لانه زنبوري، از نوعي پلاسما استفاده کردند. سپس دي اکسيد سيليکون را در کوره هايي مملو از اکسيژن و دماي تا 1000 درجه سانتيگراد، بر روي ديواره هاي لُخت و بدون پوشش حفره هاي غشا نشانده، سرانجام کل غشاي لانه زنبوري را با فلوئورکربن پوشش دادند. پژوهشگران نمونه هاي اوليه اين طرح بازنگري شده را در اکتبر 2005 توليد کردند. يکي از بزرگ ترين مزاياي اين نمونه آن بود که آنها را هر زمان که نياز به آزمايش ترکيب جديدي از کاتد و آند احساس مي شد از انجام کار پر زحمت يافتن شرايط دقيق لازم براي نشاندن يک لايه آندي يکنواخت در وسط جنگل نانوستون ها، بي نياز مي کرد. در عوض آنها مي توانستند به سادگي تکه هاي الکترود را بر روي هر نوع سطحي قراردهند. به گفته سيمون در همان زمان، تجارب کسب شده از آبکاري الکترونيکي به آنها کمک کرد که کار ساخت تکه هاي موردنظر را راحت تر انجام دهند. آزمايشگاه هاي بِل و ام فاز هم اکنون در حال همکاري با دانشگاه روتگرز در زمينه بررسي ويژگي هاي شيميايي نوعي باتري ليتيومي هستند که در دوربين هاي ديجيتالي و دستگاه هاي تلفن همراه کاربرد دارد. نانوباتري ها شايد به پيدايش منابع انرژي اي که به محيط زيست آسيب کمتري مي رساند منجر شوند؛ به اين دليل که اين منابع، حاوي ترکيباتي با ويژگي محبوس سازي الکتروليت هستند. به گفته کروپنکين در صورت استفاده از اين باتري ها، از نفوذ الکتروليت به زمين ، يا نشت آن به روي سربازان وقتي که مورد اصابت گلوله قرار مي گيرند، جلوگيري خواهد شد. سيمون مي افزايد به جاي سيليکون از نانوساختارهاي پلاستيکي هم مي توان استفاده و راه را براي ظهور نانوباتري هاي انعطاف پذير هموار كرد. به عقيده کروپنکين، دانشمندان به دنبال جايگزين نمودن باتري هاي يکبار مصرف معمولي با نانوباتري ها نيستند؛ زيرا توليد باتري هاي معمولي بسيار کم هزينه است؛ در عوض دانشمندان به دنبال کاربردهاي مخصوص نانوباتري ها هستند؛ مثلاً حسگرهايي که از هواپيماهاي نظامي پرتاب مي شوند و شايد در طول عمر خود فقط يک يا دو بار از فرستنده هاي راديويي خود براي اعلام حضور مواد مزاحم مثل مواد سمي و تشعشعات، استفاده کنند. کروپنکين توضيح مي دهد که اين حسگرها اگر چيز جالبي پيدا نکنند طبعاًً چيزي براي مخابره کردن نخواهند داشت ولي اگر چيزي را حس کنند، براي مخابره و اعلام خطر آن به انرژي زيادي نياز خواهند داشت. در عوض، اين انرژي اضافي را مي توان براي مخابره اطلاعات در مسافت هاي بيشتر توسط تجهيزاتي که تغييرات محيطي را پايش مي کنند، به کارگرفت، در نتيجه تعداد حسگرهاي مورد نياز را کاهش داد. از باتري هاي ذخيره اضطراري مي توان در اعضاي پيوندي، دستگاه هاي تلفن همراه، و قلاده هاي مخابره امواج راديويي مخصوص حيوانات اهلي نيز استفاده کرد. پژوهشگران، ساخت مدل قابل شارژي از اين نانوباتري ها را نيز مدنظر قرار داده اند. يک پالس جريان الکتريکي مي تواند در سرتاسر يک نانوباتري تخليه شده حرکت کرده و موجب گرم شدن سطحي که الکتروليت روي آن قرارگرفته، شود. در نتيجه لايه نازکي از اين مايع بخار شده و قطراتي از آن به نانوساختار برمي گردد. کروپنکين معتقد است که حصول به اين هدف به طور نظري ممکن ولي در عمل دور از دسترس است. شرکت انتظار دارد که ظرف دو يا سه سال آينده نمونه هايي از اين نانوباتري هاي قابل شارژ را براي اولين نوع وفق دهنده ها (آداپتورها)، توليد کند. نانوباتري ها سرانجام نشان خواهند داد که چگونه منابع انرژي پا به پاي انقلاب کوچک سازي که چند دهه است ديگر صنايع الکترونيکي را به دنبال خود مي کشد، حرکت مي کنند.
لطفا منتظر باشید ...
