یک ژنراتور هیدروژلی پس از ۸ هزار بار خمشدن از کار نیفتاد
محققان چینی موفق به توسعه یک ژنراتور کاملا کشسان مبتنی بر هیدروژل شدهاند که میتواند با استفاده از رطوبت محیط برق تولید کند و حتی پس از هزاران بار خمشدن و کشیدهشدن عملکرد الکتریکی پایداری داشته باشد. این دستاورد میتواند راه را برای توسعه نسل جدیدی از دستگاههای پوشیدنی، حسگرهای سلامت و تجهیزات پزشکی کاشتنی هموار کند.
به گزارش interestingengineering، پژوهشگران موسسه فناوری هاربین (Harbin Institute of Technology) اعلام کردند که این فناوری یکی از مهمترین چالشهای ژنراتورهای رطوبتبر پایه هیدروژل را برطرف کرده است؛ چالشی که به اتصال ضعیف میان لایه هیدروژل و الکترودها مربوط میشود و معمولا موجب ناپایداری خروجی الکتریکی و خرابی مکانیکی دستگاه در هنگام تغییر شکل میشود.
در سالهای اخیر ژنراتورهای الکتریکی مبتنی بر هیدروژل توجه زیادی را به خود جلب کردهاند، زیرا قادرند رطوبت موجود در محیط را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند و در عین حال ساختاری نرم، سبک و انعطافپذیر داشته باشند. این ویژگیها آنها را به گزینهای جذاب برای استفاده در تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی، دستگاههای کاشتنی و سامانههای پایش سلامت تبدیل کرده است.
با این حال بسیاری از نمونههای موجود در هنگام کشیدهشدن، پیچش یا خمشدن مکرر با افت عملکرد مواجه میشوند. محققان توضیح دادند که برهمکنش ضعیف میان هیدروژل و الکترودها باعث افزایش مقاومت الکتریکی، جدایش لایهها و کاهش دوام دستگاه میشود.
طراحی هیدروژلی با چسبندگی بالا
برای رفع این مشکل پژوهشگران یک هیدروژل با قابلیت چسبندگی بسیار بالا طراحی کردند که اتصال میان لایههای عملکردی و الکترودها را تقویت میکند. در این ساختار هیدروژل در محلولی متشکل از آب و گلیسرول متورم شده و در کنار فلز مایع و الکترودهای نقرهای کشسان بهکار گرفته شد تا ژنراتور رطوبتمحور ساخته شود.
نتایج مطالعه نشان داد افزودن گلیسرول موجب آشکار شدن تعداد بیشتری از گروههای پیوند هیدروژنی در ساختار هیدروژل میشود. این موضوع تعداد نقاط تماس میان هیدروژل و الکترودها را افزایش داده و در نتیجه چسبندگی بین لایهها را تقویت میکند. همچنین مقاومت بینسطحی کاهش یافته و انتقال یونها در شرایط اعمال کشش با کارایی بیشتری انجام میشود.
علاوه بر این گلیسرول مقاومت هیدروژل را در برابر خشکشدن، یخزدگی و تورم افزایش داد و امکان عملکرد پایدار دستگاه را در شرایط محیطی مختلف فراهم کرد.
تایید عملکرد با آزمایش و شبیهسازی
پژوهشگران برای ارزیابی عملکرد این سامانه از آزمایشهای عملی و شبیهسازیهای رایانهای استفاده کردند. نتایج نشان داد هیدروژل چسبنده جدید نسبت به ساختارهای متداول امپدانس بینسطحی را کاهش داده و راندمان انتقال یون را بهبود میبخشد.
همچنین شبیهسازیهای دینامیک مولکولی مبتنی بر اصول اولیه (AIMD) و محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) تایید کردند که تقویت رابط میان هیدروژل و الکترود موجب مهاجرت سریعتر یونها و کاهش مانع انرژی موردنیاز برای حرکت آنها میشود.
عملکرد پایدار پس از هزاران بار تغییر شکل
بر اساس نتایج گزارششده، این ژنراتور توانست ولتاژی بیش از ۰٫۹۴ ولت و چگالی جریانی معادل ۱۴۱ میکروآمپر بر سانتیمتر مربع تولید کند. محققان تأکید کردند که خروجی الکتریکی دستگاه حتی در شرایط تغییر شکل مداوم نیز پایدار باقی ماند.
این سامانه همچنین دوام مکانیکی چشمگیری از خود نشان داد. آزمایشها نشان دادند دستگاه پس از ۱۰۴۰ چرخه کشش همچنان بهطور پایدار به کار خود ادامه میدهد. علاوه بر این پس از ۸ هزار بار خمشدن در زاویه ۱۸۰ درجه کاهش عملکرد بسیار ناچیزی در آن مشاهده شد.
کاربردهای بالقوه در تجهیزات پوشیدنی و سلامت
پژوهشگران معتقدند این فناوری میتواند منبع انرژی مناسبی برای تجهیزات الکترونیکی پوشیدنی باشد که در طول فعالیتهای روزمره در معرض حرکات مداوم بدن قرار دارند. از جمله کاربردهای احتمالی این سامانه میتوان به سیستمهای پایش تنفس، حسگرهای سلامت خودتامین و سایر تجهیزات پزشکی انعطافپذیر اشاره کرد.
به گفته محققان تثبیت رابط میان هیدروژل و الکترودها نهتنها قابلیت اطمینان ژنراتورهای رطوبتی را افزایش میدهد بلکه میتواند بهعنوان راهبردی عمومی برای بهبود دوام و عملکرد سامانههای الکترونیکی نرم و انعطافپذیر مورد استفاده قرار گیرد؛ سامانههایی که معمولا تحت تاثیر تنشهای مکانیکی دچار افت عملکرد میشوند.
این دستاورد میتواند مسیر توسعه نسل آینده دستگاههای انرژیزای انعطافپذیر را که قادر به فعالیت در شرایط محیطی و مکانیکی دشوار هستند هموار کند.
انتهای پیام/
