تایرها می‌توانند خودروها را شارژ کنند، ترافیک می‌تواند چراغ‌ها را روشن کند؟ فیلم نازکی که حرکت‌ها را به برق تبدیل می‌کند
پژوهشگران مؤسسه پلی‌تکنیک رنسلیر (RPI) یک فیلم پلیمری توسعه داده‌اند که هرگاه فشرده شود، فشرده شود یا تنش داده شود، برق تولید می‌کند.
«می‌توان آن را زیر بزرگراه‌ها استفاده کرد تا زمانی که خودروها روی آن‌ها عبور می‌کنند برق تولید شود. همچنین می‌تواند در مواد ساختمانی استفاده شود تا هنگام لرزش ساختمان‌ها برق تولید کند،» نیکیل کوراتکار، یکی از پژوهشگران و استاد در RPI، گفت.
علاوه بر این، با استفاده از فیلم، می‌توان برق حتی از حرکات بدنی مانند دست زدن، راه رفتن، رقصیدن، ضربه زدن و دویدن تولید کرد، به گفته پژوهشگران. همه این‌ها به دلیل توانایی آن در استفاده از اثر پیزوالکتریک امکان‌پذیر است.
یک ماده پیزوالکتریک غیر سمی
اثر پیزوالکتریک پدیده‌ای است که به ماده اجازه می‌دهد انرژی مکانیکی را به برق تبدیل کند. مثال معمولی آن میکروفون در هدفون‌های شما است که صدا (نوعی لرزش مکانیکی) را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.
«مواد پیزوالکتریک قابلیت بهره‌برداری از انرژی مکانیکی فراوان، فراگیر و تجدیدپذیر را نشان می‌دهند. با این حال، مواد پیزوالکتریک با عملکرد برتر به طور معمول حاوی سرب می‌باشند که یک ماده سرطان‌زا است،» پژوهشگران اشاره کردند.
از آنجا که مؤثرترین مواد پیزوالکتریک حاوی سرب هستند، نمی‌توانند در دستگاه‌های پزشکی، حسگرهای بدنی و کاربردهای متنوع دیگری استفاده شوند. «سرب سمی است و به طور فزاینده‌ای تحت محدودیت قرار گرفته و از مواد و دستگاه‌ها خارج می‌شود»، کوراتکار گفت.
این جایی است که فیلم جدید می‌تواند تفاوت بزرگی ایجاد کند. این فیلم از پرُسکایت کالکوژنید خاصی تشکیل شده است - موادی که ساختار کریستالی پرُسکایت دارد و شامل عناصر کالکوژن (مانند سولفور) می‌باشد. این مواد نیز به دلیل خواص جذب نور عالی در سلول‌های خورشیدی و دستگاه‌های الکترونیکی دیگر استفاده می‌شوند و آن‌ها را برای استفاده‌های مربوط به انرژی ارزشمند می‌سازند.
علاوه بر کریستال‌های پرُسکایت بر پایه سولفور، فیلم 0.3 میلی‌متری نیز حاوی باریم و زیرکونیوم است. با این حال، حاوی سرب نیست که آن را به ماده پیزوالکتریک مطلوب برای کاربردهای گسترده از جمله دستگاه‌های پزشکی و حسگرها تبدیل می‌کند.
«اساساً، ماده انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند» بدون استفاده از هرگونه مواد سمی. «هر چه بار فشار وارد شده بیشتر و سطحی که فشار در آن اعمال می‌شود بزرگتر باشد، اثر بیشتر است،» کوراتکار توضیح داد.
این فیلم غیرسمی پتانسیل کاهش وابستگی ما به باتری‌ها و سوخت‌های فسیلی را دارد و انتقال به انرژی سبز را آسان‌تر می‌کند. به عنوان مثال، تصور کنید خودروهایی که در حال حرکت شارژ می‌شوند و چراغ‌های ترافیک که از راه رفتن افراد بر روی جاده برق می‌گیرند.
آیا فیلم واقعاً کار می‌کند؟
به زبان ساده، فیلم چیزی جز چند ذره باریم زیرکونیوم سولفید (BaZrS3) نیست که در پلیمر پلی‌کاپرولاکتون (PCL) محصور شده‌اند. برای بررسی اینکه آیا واقعاً می‌تواند مقداری برق تولید کند، پژوهشگران چند آزمایش جالب انجام دادند.
آن‌ها مقادیر مختلف تنش را از طریق حرکات مختلف دست و بدن بر روی فیلم اعمال کردند و با اتصال فیلم به یک رکتیفایر، ولتاژ خروجی را اندازه‌گیری کردند. در حالی که فیلم تنش را به جریان متناوب (AC) تبدیل می‌کرد، رکتیفایر این جریان را به ولتاژ مستقیم (DC) تبدیل کرد.
«برای راه رفتن عادی، دویدن، و دوندگی، ولتاژ DC حداکثر به ترتیب ~21.2، ~40.4، و ~72 ولت بود، در حالی که برای خم کردن آرنج، دست زدن و ضربه زدن دست به ترتیب ~5.3، ~10.4 و ~19.8 ولت بود،» پژوهشگران در مطالعه خود اشاره کردند.
آن‌ها از این جریان برای روشن کردن یک تابلو LED استفاده کردند و به صورت موفقیت‌آمیزی نشان دادند که فیلم غیرسمی آن‌ها واقعاً می‌تواند از تنش مکانیکی برق تولید کند. «این آزمایشات نشان می‌دهند که این فناوری می‌تواند مفید باشد، به عنوان مثال، در دستگاهی که دوندگان یا دوچرخه‌سواران می‌توانند بپوشند که کفش یا کلاه ایمنی خود را روشن کند و آن‌ها را بیشتر نمایان کند،» کوراتکار گفت.
با این حال، این فقط یک اثبات مفهوم است، چرا که ما مشتاقیم این نوع ماده را در مقیاس به کار ببریم، جایی که می‌تواند واقعا تفاوتی در تولید انرژی ایجاد کند،» او اضافه کرد.
مطالعه در ژورنال Nature Communications منتشر شده است.
