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. | | |