دسته
آرشیو
آمار وبلاگ
تعداد بازدید : 21958
تعداد نوشته ها : 23
تعداد نظرات : 0
Rss
طراح قالب
محمدرضا عابدي
وقتی که الکترون در یکی از مدارهای مجاز یا حالت پایه قرار داردهیچ انرژی توسط اتم ساتع نمی شود . هر یک از این مدار های مجاز به یک تراز انرژی معین یا حالت انرژی معین مربوط می شوند. الکترونها و اتم ها با حرکت از یک مدار با انرژی بالاتر (دور تر از هسته) به یک مدار با انرژی کمتر ( نزدیکتر به هسته ) ، انرژی از دست می دهند. این انرژی به صورت یک فوتون با انرژی است.در اتمها مدارهای مجزا و متعددی وجود دارد و بنابر این انتقالات مختلفی ممکن اسن انجام شود . از این رو یک اتم انرژی های مختلفی را می تواند گسیل کند . به طور کلی هر اتم تمایل دارد در حالت انرژی های پایین تر قرار گیرد از این رو برای ایجاد طیف اتمی الکترونها را با تحریک کردن به تراز های بالاتر میفرستند. این عمل در لوله های تخلیه و به کمک حرارت یا برخورد الکترونهای دیگر و یا به کمک تابش با طول موجهای مناسب انجام پذیر است. هر طول موجی که توسط اتم در حال تحریک گسیل شود، میتواند توسط آن وقتی که در تراز های پایین انرژی قرار دارد جذب شود . البته انرژی فوتون های برخورد کننده باید خیلی نزدیک به اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی اتم درگیر باشد. این حالت را جذب تشدیدی می گویند.اگر اتم در یک تراز پایین تر تحت تابش با فرکانس  قرار بگیرد ، احتمال بسیار زیادی وجود دارد که اتم با جذب این فوتون تحریک شده و به تراز بالاتر برود. این فرآیند را جذب برانگیخته می گویند.اتم بلافاصله (چند نانو ثانیه) بعد از تحریک شدن به تراز بالاتر انرژی می رود و با گسیل فوتونی با انرژی به تراز پایین انرژی باز می گردد . فرآیند گسیل پرتو می تواند به دو صورت خود به خودی یا تحریکی انجام شود.دو نکته در رابطه با گسیل تحریکی وجود دارد :1 - فوتونی که با گسیل برانگیخته تولید می شود دارای همان انرژی و فرکانس فوتون تحریک کننده است2 - امواج نوری مربوط به هر دو فوتون هم فازند و دارای پولاریزاسیون مشابه هستندبه این معنی که در اتمی که به صورت برانگیخته مجبور به تابش نوری می شود ، موجی که باعث ایجاد فرآیند شده به فوتون اضافه می شود به طوری که یکدیگر را تقویت می کنند و دامنه های آنها افزایش میابد . پس ما امکان تقویت نور به وسیله گسیل های تحریکی تابش را خواهیم داشت.تابش های تحریک شده همدوس هستند. یعنی همه امواج سازنده چنین تابش هایی هم فاز هستند . این فرایند با گسیل خود به خودی تفاوت اساسی دارد. چون در آنجا اتمها کاملا به صورت اتفاقی کسیل می کنند  به طوری که رابطه خاص فازی بین امواج وجود ندارد و اینگونه تابش ها غیر همدوس هستند.  دمش:فرآیند تحریک ماده لیزریبرای تغییر تراز و آزاد کردن انرژی را دمش می گویند. عمل دمش از طریق چندین راه امکان پذیر است از قبیل : دمش اپتیکی – دمش به کمک تخلیه الکتریکی – دمش به کمک آزاد کردن انرژی شیمیایی .با توجه به لیزر های متفاوت و نوع ماده لیزری از روش های متفاوت دمش استفاده می شود. به طو ر مثال در لبزر های گازی مانند لیزر CO2 از روش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.    تشدید کننده های نوری:برای داشتن پرتو خروجی از لیزرها و انرژی بهینه و با توان بالا نیاز داریم که پرتو های تحریک کننده جهت تحریک ماده لیزری و افزایش انرژی را تقویت کنیم.در بیشتر حالات تقویت کلی توسط قرار دادن آینه هایی با درصد بازتابش بالا در دو انتهای کاواک لیزر انجام می شود . پرتوی نوری بیش از حدود 100 بار بین دو اینه رفت و برگشت می کند و به این ترتیب طول موثر ماده افزایش می یابد. آینه ها تشکیل یک کاواک نوری یا تشدید کننده می دهند و به همراه ماده فعال لیزری یک نوسان کننده می سازند . آینه ها در اصل مانند یک بازخور نوری از ماده تقویت کننده عمل می کنند. اساسا گسیل خود به خودی یک تغییر کوچک در فرکانس عبوری از ماده ایجاد می کند و آن را به دلیل گسیل برانگیخته تقویت می کند. در برخورد با آینه های انتهایی اکثر انرژی به داخل کاواک باز می گردد . این نور تقویت شده مجددا با برخورد به آینه دیگر بیشتر تقویت می شود و این <رایند مدام تکرار می شود. این تغییرات تااین نوسانات به یک حالت پایدار برسند افزایش می یابد . در این حالت رشد دامنه امواج داخل کاواک افزایش می یابد و هر انرژی که به دلیل گسیل برانگیخته ظاهر میشود به عنوان خروجی لیزر منظور می گردد.تا اینجا فرض بر این بود پرتوهایی که بین دو آینه رفت و برگشت می کنند موازی هستند . ولی در واقع اینطور نیست. به دلیل اثرات پراش در لبه آینه ها یک باریکه کاملا موازی نمی تواند با اندازه محدود ابقا شود چون بخشی از تابش از کناره های آینه ها پخش می شود و این اتلاف ها در اثر پراش را می توان با استفاده از آینه های مقعر و در عمل با آینه های با انحنای متفاوت و شکل های مختلف، بسته به نوع لیزر ، کاهش داد. به اینگونه سیستم ها کاواک پایدار گفته می شود.برخی از سیستمهای کاواک پایدار در شکل زیر نشان داده شده است.    کاواکهای پایدار علاوه بر پایدار نگه داشتن پرتو ویژگی دیگری نیز دارند و آن تنظیم خروجی لیزر است. این عمل به سادگی و با تغییر فاصله آینه ها و بدین ترتیب با تغییر دادن مقدار تابش در طرف آینه کوچکتر که خروجی لیزر را می سازد ممکن خواهد بود. لیزر های واقعی :در قلب هر لیزر ماده فعالی وجود دارد که باعث ایجاد خروجی لیزر در باریکه ای از طول موجها است.در حقیقت لیزر ها با نام ماده فعال آنها شناخته می شوند. به طور کلی ماده های متفاوتی به عنوان ماده فعال لیزری مورد استفاده قرار می گیرد. به طور مثال اولین لیزر در سال 1960 با استفاده از کریستال صورتی یاقوت ساخته شد.امروزه تعداد و انواع مواد استفاده شده به عنوان ماده فعال لیزری افزایش یافته است به طوری که انسان احساس می کند از هر ماده ای میتواند با استفاده از روش دمش خاص برای لیزر استفاده کند.به طور کلی لیزر ها را با توجه به نوع ماده فعال آن ها به چهار دسته اصلی تقسیم می کنند: 1 - لیزر های آلائیده شده با عایق2 - لیزر های نیمه هادی3 - لیزر های گازی 4 - لیزر های رنگ در اینجا به برسی لیزر های گازی می پردازیم. لیزر های گازی: لیزر هایی را که ماده فعال آنها گاز است ، لیزر های گازی می گویند . لیزر های گازی معمولا حجیم هستند و و هر چه پر قدرت تر باشند ، اندازه آنها بزرگتر خواهد بود. نکته مفید در رابطه با لیزر های گازی این است که از آنجا که گازها بسیار یکنواخت تر و همگن تر از جامدات هستند، می توان برای پر کردن و خنک نمودن آنها از یک مدار بسته استفاده کرد.از آنجا که اتمها خطوط جذبی بسیار باریکی در گازها دارند ، تقریبا تقریبا غیر ممکن است بتوان به کمک دمش نوری در آنها انرژی آزاد کرد. بنابر این در لیزر های گازی از روش دمش تخلیه الکتریکی استفاده می شود.لیزر های گازی خود به سه دسته تقسیم می شوند:1- لیزر های اتمی2- لیزر های یونی3- لیزر های مولکولی با توجه به به نوع لیزر ، گزار لیزری بین دو تراز انرژی اتم و یو ن یا مولکول به وقوع می پیوندد.یکی از مهمترین انواع لیزر های گازی، لیزر مولکولی CO2 است . لیزر CO2 (دی اکسید کربن ) : لیزر CO2 از مهمترین لیزر ها در نوع خود است و از نظر کاربرد فنی آن را در زمره مهمترین لیزر ها دسته بندی می کنند. این لیزر با کارایی بالا (30%) و توان خروجی زیاد و پیوسته حدود چندین کیلو ولت ساخته می شود .لیزر های دی اکسید کربن کاربرد های زیادی در زمینه های مختلف از جمله جوشکاری ، برش استیل ، الگوبری ، جوش هسته ای و کاربردهای متنوع نظامی دارند. عملکرد لیزر های CO2 در تولید پرتو : تحریک مولکول های CO2 در دو مرحله انجام می گیرد. در لیزر های CO2 از گاز نیتروژن به عنوان گاز کمکی به منظور تحریک استفاده می شود. بعضی تراز های نیتروژن که کاملا نزدیک به ترازهای CO2 هستند به راحتی در تخلیه الکتریکی دمش می شوند . وقتی نیتروژن تحریک شده به اتمهای  CO2 که در حالت پایه قرار دارند برخورد کند ، ممکن است انرژی خود را به انها بدهد و آنها را تحریک کند و به تراز تحریکی مورد نظر CO2 بفرستد. ترازهای نیتروژن و CO2 دقیقا بر روی هم منطبق نیستند ولی اختلاف آنها خیلی کم است .این اختلاف با انرژی جنبشی اتمها در تبادل انرژی تقریبا جبران می شود. اتمهای CO2 تحریک شده با بازگشت به تراز خود انرژی آزاد کرده و یک فوتون ایجاد میککند که این فوتون دارای طول موجی بین 9.2 تا 10.8 میکرون است و قوی ترین طول موج آن طول موج 10.6 میکرون می باشد.فوتون آزاد شده با توجه به جهت میدان الکتریکی که از آنود به کاتود است به طرف آینه حرکت می کند و با برخورد به آینه ای که در سمت آنود قرار دارد منعکس شده با برخورد مجدد به مولکول های CO2 آنها را تحریک کرده و یک فوتون دیگر آزاد می کند .این دو فوتون با برخورد مجدد به آینه ها و بازتابش خود فوتونهای بیشتری ازاد می کنند و این عمل تا آنجا ادامه می یابد که روند تولید فوتون به یک مقدار پایدار برسد که در آن موقع خروجی بهینه لیزر آغاز می شود . لازم به ذکر است که قبل از رسیدن به حد آستانه نیز از لیزر پرتو هایی خارج می شود که به دلیل ضعیف بودن قرت چندانی ندارد و ناکارامد است. دمش به روش تخلیه الکتریکی :  همان طور که بحث شد تحریک در لیزر های CO2 طی دو مرحله است که ابتدا تحریک نیتروژن انجام می شود.در لیزر های CO2 تحریک به کمک تخلیه الکتریکی با ولتاژ های بالا انجام می شود. کاواک لیزر دارای کاتد و آندی از جنس آلومینیوم است . با اعمال ولتاژ بالا در قسمت کاتد ، الکترون های مربوط به لایه سطحی آلومینیوم و یا الکترونهای مربوط به اکسید روی سطح کاتد جدا شده و در جهت میدان الکتریکی به سمت آند حرکت می کنند و در مسیر خود به اتم های نیتروژن برخورد کرده و آنها را تحریک می کنند و به تراز های بالاتر انرژی می فرستند. اتمهای نیتروژن نیز در بازگشت به تراز های قبلی خود انرژی خود را به مولکول های CO2 منتقل می کنند و ان ها را تحریک می نمایند و به همین روند پرتو ها تقویت شده تا خروجی لیزر آغاز گردد.   انواع لیزر های CO2 : 1 - لیزر با لوله بسته 2 - لیزر با جریان گاز 3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ) 1 - لیزر با لوله بسته  در این گونه لیزر ها گاز CO2 و نیتروژن در لوله های تخله قرار دارند. مشکلی که برای این لیزر ها وجود دارد این است کهدر جریان تخلیه الکتریکی مولوکول های CO2 به CO تبدیل می شوند . این واکنش خیلی سریع است و اگر تمهیداتی به کار گرفته نشود ، عمل لیزر پس از چند دقیقه متوقف می شود.یکی از راهها این است که هیدروژن یا بخار آب به مخلوط گاز اضافه کنیم تا با ترکیب مجدد CO را به CO2 تبدیل کند.سرد کردن گاز در این گونه لیزر ها از دیگر مشکلاتی است که می تواند توان لیزر را به 100 وات محدود کند .طرح های لوله بسته خیلی مرسوم نیستند ولی در طرح حای موجبر ب کار برده می شوند . در موجبر ها ابعاد داخلی لوله کوچک (در حد میلیمتر ) است و موجبر دی الکتریک را به وجود می آورد . کیفیت پرتوی عالی و خروجی نسبتا زیاد با توجه به قطر های کوچک لوله بدست می آید .تحریک به کمک میدان الکتریکی قوی یا میدان RF که به داخل ماده موجبر هدایت می شود انجام می گیرد.لیزر با لوله بسته لیزر موجبر   2 - لیزر های با جریان گاز: دو مشکل تجزیه CO2 و سرد کردن گاز را می توان با حرکت دادن گاز در سر تا سر لوله برطرف کرد .در طرح های ساده جریان گاز و تخلیه الکتریکی هر دو در سر تا سر لوله لیزر انجام می شود. اگر اقدامی برای تبدیل گاز انجام نشود ، گاز باید به طور مداوم به بیرون جریان یابد. ولی از آنجا که فشار گاز پایین است مقدار گاز مصرفی زیاد نخواهد بود. توان خروجی ین لیزر ها به طور خطی با افزایش طول لوله افزایش می یابد . حدود 60 وات به ازای هر متر . ولی برای توان های بیشتر از چند کلیو ولت به طول های بزرگ نیاز داریم .   افزایش ماکزیمم توان خروجی ، با جریان عرضی و سریع ممکن خواهد بود .تخلیه الکتریکی را نیز می توان هم جهت با جریان گاز انجام داد . این طرح امکان توان تا حدود ده ها کیلو ولت و به صورت مداوم را ممکن می سازد . خروجی های بیشتر نیز امکان پذیر است اما ابعاد بزرگ لیزر و منابع تغذیه مورد نیاز ، کاربرد آِن را در صنعت با مشکل رو برو می کند.  3 - لیزر های با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ( TEA ): تا کنون برای افزایش توان خروجب لیزر CO2 طول تیوپ و سرعت جریان گاز را افزایش دادیم . اما یک راه دیگر برای افزایش توان لیزر افزایش فشار است .متاسفانه با افزایش فشار به ولتاژ های بزرگی برای تخلیه الکتریکی و تحریک دی اکسید کربن نیاز است و تجهیزات مورد نیاز عظیم می باشد . لذا در این روش تخلیه در لوله های به طول چند متر مشکل خواهد بود . از طرفی تخلیه الکتریکی عرضی برای حدود 10 میلیمتر یا این حدود قابل قبول تر است . عمل لیزر به طور مداوم به دلیل عدم پایداری تخلیه در فشار های بالاتر از 100 میلیمتر جیوه مشکلاتی به همراه خواهد داشت .بنابر این لیزر های با فشار گار بالا باید به صورت ضربانی کار کنند و به صورت عرضی تخلیه شوند .چنین لیزر هایی با تخلیه عرضی در فشار اتمسفر ، (TEA) نامیده می شوند . گرچه فشار گاز ممکن است متغیر و حدود چند اتمسفر باشد ،اما توسط این لیزر ها می توان ضربان هایی با توان بالا و دوره های حدود 50 نانو ثانیه و با انرژی 100 ژول به دست آورد . در فشار های خیلی بالا و حدود 10 اتمسفر ، بخورد های مولکولی باعث پهن کردن خطوط طیف لیزر شده و تنظیم لیزر را روی طول موج های مختلف مقدور می سازد. 
دسته ها :
ترانزیستورها که ظهورشان به سال 1947 برمی‌گردد، اکنون بسیار کوچک‌تر شده، از وسایلی بدترکیب به ارتفاع نیم اینچ، مبدل به تجهیزاتی شده‌اند که قطعات آنها ابعاد حیرت‌آوری به اندازه چند صد اتم دارند. از طرف دیگر، باتری‌ها نیز میزان تولید انرژی خود را آن هم در یک پنجاهم این فضا، افزایش داده‌اند.
شرکت آزمایشگاه‌های بِل (Bell Laboratories) که روزی سازنده اولین نسل از ترانزیستورها بود، در حال حاضر در تلاش برای ابداع مجدد نسل جدیدی از باتری‌هاست. هدف این شرکت آن است که در تولید انبوه باتری‌هایی که می‌توان آنها را به همراه شبکه‌ای از مدارهای الکتریکی دیگر بر روی یک تراشه قرارداد، از روش‌های ساخت ترانزیستورها بهره گیرد. این وسیله که نانوباتری نامیده می‌شود، ویژگی‌های الکترودها را در مقیاسی نانومتری، کوچک و متمرکز خواهد کرد.
طراحی نانوباتری‌ بگونه‌ای است که آن را حداقل به مدت 15 سال در خفا نگه داشته، شاید در این مدت فقط از آن به عنوان منبع انرژی حسگرهایی که تشعشعات رادیواکتیویته را پایش کرده یا مواد شیمیایی سمی را ردیابی می‌کنند، استفاده شود. بعد از گذشت این مدت، این باتری‌ها ظاهر شده و به سرعت مبدل به یک منبع بزرگ انرژی خواهند شد. این ایده به تولید اولین باتری‌هایی منجر می‌شود که قادرند با خنثی نمودن مخلوط مواد شیمیایی سمی داخل خود، خود را تمیز نمایند.
رشد نانوسبزه‌ها
منشأ پیدایش نانوباتری‌ها به اقبال جدی آزمایشگاه‌های بِل به فناوری نانو در چند سال اخیر بر‌می‌گردد. در پاییز 2004 لوسِنت (Lucent)، شرکت مادرِ آزمایشگاه‌های بِل ، با همکاری دولت محلی و مؤسسه فناوری ایالت نیوجرسی به دنبال فراهم نمودن مقدمات تأسیس کنسرسیوم فناوری نانو در این ایالت بود.
ایده لوسِنت این بود که خدمات پژوهش، توسعه و مدل‌سازی اولیه این شرکت، از طریق این کنسرسیوم در اختیار متخصصان فناوری نانو در صنایع، دانشگاه‌ها و سازمان‌های دولتی قرار‌ گیرد. دیوید بیشاپ Bishop)David) معاون پژوهش‌های فناوری نانو در آزمایشگاهای بِل، برگزاری همایش‌هایی را برای متخصصان این شرکت آغاز کرد تا آنها بدین وسیله ایده‌های خود را در مورد اینکه چگونه پژوهش‌هایشان می‌تواند کاربردهای جدیدی را برای اعضای کنسرسیوم یاد شده به وجود آورد با هم درمیان گذارند.
تام کروپنکین (Tom Krupenkin) که یکی از ارائه کنندگان این همایش‌ها بود، فعالیت‌هایی در مورد ریز عدسی‌های مایع که هم اکنون در تلفن‌های دوربین‌دار کاربرد دارند، انجام داده بود. این عدسی‌ها متشکل از قطرات ریزی هستند که قادرند شکل و خواص کانونی خود را در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتریکی بر سطحی که با آن در تماسند، تغییر دهند. این سطوح که سطوح ترشونده الکتریکی نامیده می‌شوند، در پاسخ به اعمال ولتاژ الکتریکی، از سطوحی بسیار آب‌گریز (Superhyrophobic) به سطوحی آب‌دوست (Hydrophilic) تبدیل می‌شوند.
آب‌گریزی شدید همان خاصیتی است که لغزیدن قطرات باران از پرهای مرغابی و برگ‌های نیلوفر آبی را سبب شده و در نتیجه مانع از خیس شدن این سطوح می‌شود. قطرات مایع به دلیل وجود کشش سطحی، تمایل به گلوله‌شدن دارند اما با اعمال نیروی جاذبه از سطحی که بر روی آن قرار دارند، به سرعت پخش می‌شوند. آب بر روی چنین سطوح آب‌دوستی مانند شیشه پخش می‌شود، اما بر‌روی سطوح آب‌گریز کاملاً به شکل گلوله درآمده و به هیچ وجه تعاملی با این سطوح ندارد.
کروپنکین بر اساس رفتار قطرات کوچک مایع بر روی سطوح آب‌گریز، چنین استدلال کرد که ترشدگی الکتریکی (الکترووِتینگ) را می‌توان برای کنترل واکنش‌های شیمیایی به ‌خدمت گرفت. او طرحی را شامل چند ردیف‌ از ستون‌های بسیار آب گریز با قطر نانومتری که خاصیت ترشدگی الکتریکی (الکترووتینگ) هم داشتند، ترسیم نمود. این ستون‌ها در زیر میکروسکوپ به منطقه‌ای از نانوسبزه‌های یکنواخت بریده شده، شباهت داشتند. این نانوسبزه‌ها را می‌توان بوسیله روش‌های معمول در صنایع میکروالکترونیک به وجود آورد. دانشمندان با اعمال ولتاژ بر روی مایعِ قرارگرفته بر روی این ستون‌ها، قادرند واکنشی را به وجود آورند که آب گریز شدن آنها را به دنبال داشته باشد. در نتیجه این تغییر وضعیت، قطرات مایع در حد فاصل بین نانوستون‌ها به سمت پایین نفوذ خواهند کرد. بنابراین این مایع قادر خواهد بود که با هر نانوسبزه ای متشکل از ستونهایی با قطر 300 نانومتر . ایده ای کاملاً جدید در مورد باتری‌ها. این ساختارها تا موقع راه اندازی و استفاده از باتری، مایع الکترولیت را بالای نانوسبزه نگاه می‌دارد.ترکیبی که در انتهای ستون‌ها قرار می‌گیرد، وارد واکنش شود. کروپنکین از این موضوع نتیجه گرفت که این مایع را می‌توان برای تولید انرژی در نانوباتری‌ها به خدمت گرفت.
باتری‌ها اساساً رآکتورهای شیمیایی هستند. یک باتری یکبارمصرف از دو الکترود غوطه‌ور در مایع الکترولیت، یکی آند و دیگری کاتد تشکیل شده است. ترکیبات موجود در هر دو الکترود از طریق الکترولیت با هم واکنش می‌دهند تا الکترون و جریان الکتریکی تولید کنند. اما مشکل اینجاست که این واکنش‌ها زمانی که باتری به وسیله‌ای وصل نیست و بلااستفاده است، نیز رخ می‌دهند. یک باتری متوسط در هر سال 7 تا 10 درصد انرژی خود را زمانی که از آن استفاده نمی‌شود، از دست می‌دهد.
در باتری‌های موسوم به باتری‌های ذخیره، برای جدانمودن الکترولیت از الکترودها در زمان غیرفعال بودن آنها، از موانعی فیزیکی استفاده می‌شود. این کار از انجام واکنش‌های شدید الکتروشیمیایی که منجر به آزاد شدن انرژی زیاد می‌شود، جلوگیری می‌کند. مشکل مکانیکی این جداسازی، بزرگ و زمخت شدن باتری‌هاست؛ در نتیجه از آنها عمدتاً در موقعیت‌های اضطراری نظیر واحدهای مراقبت‌ ویژه یا اتاق عمل بیمارستان‌ها یا مصارف نظامی نظیر دوربین‌های دید در شب یا روشن‌سازی لیزری، می‌توان استفاده کرد. به کارگیری نانوسبزه‌‌ها، کوچک‌تر کردن باتری‌های ذخیره را نیز بسیار آسان‌تر می‌کند. بر اساس توضیحات کروپنکین، دانشمندان قادرند باتری‌هایی را طراحی کنند که در آنها به جای اینکه کلیه مواد شیمیایی در آنِ واحد واکنش کنند، فقط بخشی از میدان نانوسبزه‌ها فعال شده و در واکنش شرکت نماید.
آزمایشگاه‌های بِل، بازاریابی و فروش ایده نانوسبزه را آغاز کرده است. بیشاپ می‌گوید لوسِنت گرچه یک شرکت تولید باتری‌ نیست اما می‌خواهد که آن را متحول کند. در همایشی که در اواخر سال 2003 برگزار شد، مسئولین شرکت ام‌فازmPhase) ( مطلبی که لوسِنت در مورد باتری‌های مبتنی بر فناوری نانو ارائه داد را شنیدند. استیو سیمون(SteveSimon) معاون اجرایی مدیریت مهندسی، پژوهش و توسعه این شرکت از آن روز چنین یاد می کند: ”ما اتاق را ترک کردیم و گفتیم خدای بزرگ!، ایده تکان دهنده‌ای بود.“ در آن زمان ام فاز یک شرکت تولیدکننده تجهیزات خطوط مشترک دیجیتالDSL) ویدئویی) و باند عریض خانگی بود.
گسترش سریع بازار سخت‌افزارهای مخابراتی، ران دوراندو (Ron Durando)، رئیس هیئت مدیره ام‌فاز، را بر آن داشت که این شرکت را به یک تأمین کننده فناوری نانو مبدل کند. او به ویژه تولید وسیله‌ای را مدنظر داشت که توسعه آن مدت زیادی طول نکشد، کاربردهای پزشکی نداشته باشد تا برای تکمیل آن منتظر جواب آزمایش‌های بالینی نماند و در نهایت در خدمت بازاری نظامی باشد که تامین هزینه‌های زیاد تجهیزات فناوری نانو را در مراحل اولیه تولید، تقبل کند. به عقیده سیمون نانوباتری‌ها هرسه ویژگی‌ فوق را دارا هستند.
طرح یک نانوباتری
نانوغشای آزمایشی ساخته شده شرکت ام‌فاز و آزمایشگاه‌های بِل ، الکترولیت را از الکترودهای مثبت و منفی (آند و کاتد) جدا می‌کند. این کار افزایش عمر باتری را به دنبال دارد. وقتی که از باتری استفاده نمی‌شود (شکل بالا) آند روی و کاتد دی‌اکسید منگنز به صورت قطعه‌های مجزا از هم در کف باتری قراردارند. در بالای آنها یک غشای لانه زنبوری حفره دار از جنس سیلیکون قرار دارد که با لایه‌ای از دی‌اکسید سیلیکون و پلیمر فلوئورکربن پوشیده شده و بالای این غشاء محلول الکترولیت کلرید روی قرار گرفته است. در هنگام استفاده از باتری (شکل پایین) الکترولیت از غشای لانه زنبوری نفوذ کرده و قطعه‌های آند و کاتد را در برمی‌گیرد، به محض برقرار شدن ارتباط بین آندها و کاتدها به وسیله مایع الکترولیت، واکنش‌های بین آنها برای تولید الکتریسیته آغاز می‌شوند.
در مارس 2004، ام‌فاز توافق‌نامه توسعه مشترکی را برای تولید تجاری نانوباتری‌ها با لوسِنت به امضا رسانید. ‌در حالی که این شرکت به دنبال تحقیق در این مورد بود که مشتریان بالقوه این باتری‌ها، برای تولید وسایل و تجهیزات سودآور چه انتظاراتی دارند، شرکت لوسِنت این فناوری را در عوض دریافت حق امتیاز، اجازه استفاده از یک اتاق تمیز به ارزش450 میلیون دلار (اتاق تمیز محیطی عاری از هرگونه باکتری و گرد غبار است که از آن در تولید تجهیزات دقیق و حساس الکترونیکی و هوا فضا استفاده می‌شود. م) و دسترسی به دانشمندانی با سالها تجربه در زمینه ساخت و تولید سیلیکون ، به ام فاز واگذار نمود.
شروع به کار
تا سپتامبر 2004، دانشمندان برای تولید جریان الکتریسیته در آزمایشگاه‌هایشان تنها یک الگوی عملیاتی در اختیار داشتند. این گروه برای دستیابی به نمونه اولیه این الگو، مجبور بودند ستون‌های سیلیکونی با قطر تقریبی 300 نانومتر و فواصلی به اندازه دو میکرون، به وجود آورند. آنان برای تولید الکتریسیته، همان ترکیباتی را به کارگرفتند که در باتری‌های قلیایی معمولی وجود دارند، یعنی فلز روی به عنوان آند و دی اکسید منگنز به عنوان کاتد. بستر سیلیکونی که این ستون‌ها روی آن قرار می‌گرفتند با فلز روی و خود ستون‌ها نیز با دی اکسید سیلیکون پوشیده شده‌ بودند. این کار به پژوهشگران امکان می‌داد که ولتاژ باتری را کنترل نمایند. سرِ نانوستون‌ها نیز با لایه ای از مواد فلوئورکربن شبیه تفلون پوشیده شده بود. این کار باعث می‌شد که این ستون‌ها از خود رفتار ترشدگی الکتریکی (الکترووِتینگ) نشان دهند.
کروپنکین تأکید می‌کند که انجام چنین کارهایی‌ که ساده به نظر می‌رسند، در عمل مشکل است. نشاندن فلز روی فقط در قسمت کف باتری، اشکالات بزرگی را یکی پس از دیگری سبب می‌شد. دانشمندان معمولاً برای نشاندن این فلز در این مکان‌های به خصوص از فرایند آبکاری الکتریکی (Electoplating) استفاده می‌کنند. اما این فرایند در مورد اکسیدهایی مانند دی اکسید سیلیکون موجود در تجهیزات مبتنی بر نانوسبزه، کارایی ندارد. بنابراین باید روشی ابداع نمود که بستر سیلیکونی را عاری از دی اکسید سیلیکون کرده، امکان نشاندن فلز روی را بر آن فراهم کند و در عین حال سیلیکون موجود در پوشش ستون‌ها، دست نخورده باقی بماند. راه حل عبارت بود از پوشاندن بستر سیلیکونی و ستون‌ها با این اکسید به طوری که لایه پوشش بستر، نازک‌ترین حالت ممکن را داشته باشد. این اکسید با استفاده از گاز یونیزه شده طوری از تمامی قسمتهای باتری زدوده می‌شد که ستون‌ها‌ی حاوی این اکسید و کف باتری عاری از آن باشد.
چون هنوز هم نمی‌شد آبکاری الکتریکی را روی سطوح سیلیکونی انجام داد، پژوهشگران با استفاده از روشهای شیمیاییِ تَر (wet-chemistry)، کفِ باتری را با لایه ای از فلزات نیکل و تیتانیوم به عنوان لایه بذری (Seed Layer) پوشش دادند. وجود این فلزات باعث می‌شود که فلز روی درحین آبکاری الکتریکی بر روی این سطح بچسبد. نشاندن فلز روی به طور یکنواخت انجام شد به طوری که حتی برجستگی‌های کوچک این فلز نیز در هیچ مکانی از کف باتری به وجود نیامد و انجام سعی و خطاهای پرزحمت برای تغییر درجه حرارت، شدت جریان الکتریکی و غلظت مواد شیمیایی تا رسیدن به وضعیت مطلوب، لازم نباشد. سیمون خاطرنشان می‌کند: ”وقتی برمی گردم و به گذشته نگاه می‌کنم شگفت زده می‌شوم، انجام این کار فقط یکسال طول کشید.“
بعد از اینکه دانشمندان به نمونه اولیه‌ای از نانوباتر‌ی‌ها که به درستی عمل می‌کرد دست یافتند، به گفت‌وگو با مشتریان بالقوه آن پرداختند. این بحث‌ها رشد سریع این باتری‌ها را به دنبال داشت. طرح اولیه شبیه به یک ساندویچ بود؛ به طوری که کاتد در بالا، محلول الکترولیت کلرید روی در وسط، نانوسبزه‌ها در زیر الکترولیت و آند در کف باتری قرار داشتند. مقامات رسمی آزمایشگاه پژوهشی ارتش آمریکا در آدلفی مریلند در مورد اینکه شاید تماس مستقیم بین الکترولیت و هریک از الکترودها به بروز واکنش‌های شیمیایی ناخواسته منجر شود، ابراز نگرانی کردند. بعد از بازنگری طرح اولیه، الکترولیت در بالا، کاتد و آند به صورت قطعه‌های جدای از هم درکف، و یک غشای نانوسیلیکونی در وسط باتری قرار داده شد. در این صورت وقتی باتری به کار می‌افتد، الکترولیت از این غشا نفوذ کرده و الکترودها را در برگیرد.
گروه دانشمندان، در ابتدا برای جداکردن الکترولیت از آند، از نانوستون‌ها استفاده کردند، چون در این صورت ستون‌ها حداقل فضای ممکن را اشغال کرده، فضای کافی بیشتری برای انجام واکنش‌ بین الکترودها به وجود می‌آمد. اما مشکل بودن طراحی و ساخت باتری‌های نانوستونی، آنان را بر آن داشت که به جای این کار، از غشای لانه زنبوری استفاده کنند. ساخت غشای ترشونده الکتریکی با حفره‌های 20 میکرونی و دیواره‌های نازک و شکننده‌ای با پهنای 600 نانومتر هم مشکل بزرگی بود. در ابتدا دانشمندان برای زدودن پوشش دی اکسید سیلیکون از ساختار ظریف لانه زنبوری، از نوعی پلاسما استفاده کردند. سپس دی اکسید سیلیکون را در کوره‌هایی مملو از اکسیژن و دمای تا 1000 درجه سانتیگراد، بر روی دیواره‌های لُخت و بدون پوشش حفره‌های غشا نشانده، سرانجام کل غشای لانه زنبوری را با فلوئورکربن پوشش دادند.
پژوهشگران نمونه‌های اولیه این طرح بازنگری شده را در اکتبر 2005 تولید کردند. یکی از بزرگ‌ترین مزایای این نمونه آن بود که آنها را هر زمان که نیاز به آزمایش ترکیب جدیدی از کاتد و آند احساس می‌شد از انجام کار پر زحمت یافتن شرایط دقیق لازم برای نشاندن یک لایه آندی یکنواخت در وسط جنگل نانوستون‌ها، بی نیاز می‌کرد. در عوض آنها می‌توانستند به سادگی تکه‌های الکترود را بر روی هر نوع سطحی قراردهند. به گفته سیمون در همان زمان، تجارب کسب شده از آبکاری الکترونیکی به آنها کمک کرد که کار ساخت تکه‌های موردنظر را راحت‌تر انجام دهند. آزمایشگاه‌های بِل و ام‌فاز هم اکنون در حال همکاری با دانشگاه روتگرز در زمینه بررسی ویژگی‌های شیمیایی نوعی باتری لیتیومی هستند که در دوربین‌های دیجیتالی و دستگاه‌های تلفن همراه کاربرد دارد.
نانوباتری‌ها شاید به پیدایش منابع انرژی‌ای که به محیط زیست آسیب کمتری می‌رساند منجر شوند؛ به این دلیل که این منابع، حاوی ترکیباتی با ویژگی محبوس سازی الکترولیت هستند. به گفته کروپنکین در صورت استفاده از این باتری‌ها، از نفوذ الکترولیت به زمین ، یا نشت آن به روی سربازان وقتی که مورد اصابت گلوله قرار می‌گیرند، جلوگیری خواهد شد. سیمون می‌افزاید به جای سیلیکون از نانوساختارهای پلاستیکی هم می‌توان استفاده و راه را برای ظهور نانوباتری‌های انعطاف پذیر هموار کرد.
به عقیده کروپنکین، دانشمندان به دنبال جایگزین نمودن باتری‌های یکبار مصرف معمولی با نانوباتری‌ها نیستند؛ زیرا تولید باتری‌های معمولی بسیار کم هزینه است؛ در عوض دانشمندان به دنبال کاربردهای مخصوص نانوباتری‌ها هستند؛ مثلاً حسگرهایی که از هواپیماهای نظامی پرتاب می‌شوند و شاید در طول عمر خود فقط یک یا دو بار از فرستنده‌های رادیویی خود برای اعلام حضور مواد مزاحم مثل مواد سمی و تشعشعات، استفاده کنند. کروپنکین توضیح می‌دهد که این حسگرها اگر چیز جالبی پیدا نکنند طبعاًً چیزی برای مخابره کردن نخواهند داشت ولی اگر چیزی را حس کنند، برای مخابره و اعلام خطر آن به انرژی زیادی نیاز خواهند داشت. در عوض، این انرژی اضافی را می‌توان برای مخابره اطلاعات در مسافت‌های بیشتر توسط تجهیزاتی که تغییرات محیطی را پایش می‌کنند، به‌ کارگرفت، در نتیجه تعداد حسگرهای مورد نیاز را کاهش داد. از باتری‌های ذخیره اضطراری می‌توان در اعضای پیوندی، دستگاه‌های تلفن همراه، و قلاده‌های مخابره امواج رادیویی مخصوص حیوانات اهلی نیز استفاده کرد.
پژوهشگران، ساخت مدل قابل شارژی از این نانوباتری‌ها را نیز مدنظر قرار داده اند. یک پالس جریان الکتریکی می‌تواند در سرتاسر یک نانوباتری تخلیه شده حرکت کرده و موجب گرم شدن سطحی که الکترولیت روی آن قرارگرفته، شود. در نتیجه لایه نازکی از این مایع بخار شده و قطراتی از آن به نانوساختار برمی‌گردد. کروپنکین معتقد است که حصول به این هدف به طور نظری ممکن ولی در عمل دور از دسترس است. شرکت انتظار دارد که ظرف دو یا سه سال آینده نمونه‌هایی از این نانوباتری‌های قابل شارژ را برای اولین نوع وفق دهنده‌ها (آداپتورها)، تولید کند. نانوباتری‌ها سرانجام نشان خواهند داد که چگونه منابع انرژی پا به پای انقلاب کوچک سازی که چند دهه است دیگر صنایع الکترونیکی را به دنبال خود می‌کشد، حرکت می‌کنند.
 
دسته ها :
X