برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۹/۲۴ تا ۱۳۹۷/۰۹/۳۰

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۳,۸۷۰
  • بازدید این ماه ۷۲
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۷۷
  • قبول شدگان ۴۹
  • شرکت کنندگان یکتا ۳۸
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

بازسازی برگ‌ها

گیاهان برای حیات از هوا، آب و نور خورشید استفاده می‌کنند تا سوخت شیمیایی خود یعنی قند را تولید کنند. این یک نوع انرژی طبیعی است که هیچ آلودگی و تخریبی برای سایر موجودات ندارد. امروز بشر به این موضوع دست‌یافته که می‌تواند طرح‌های مهندسی خود را از طبیعت یاد بگیرد و همان‌طور که امروز با تقلید از قوانین خلقت، هواپیما‌های غول پیکر ساخته شده است، به مقیاس‌های بسیار ریز نانومتری بیاید و برگ‌هایی مثل پارچه را با سرعت بالا تولید کند که لااقل بتواند درصدی از کارایی برگ‌های واقعی را برای تولید انرژی داشته باشد. برگ گیاهان از ساختار‌های ریزی تشکیل شده است که در چند مرحله منجر به تولید قند می‌شود. محققانی که روی برگ‌های مصنوعی کار می‌کنند در تلاشند تا برگ‌هایی بسازند که مانند برگ‌های طبیعی، نور خورشید و آب را به سوخت هیدروژنی تبدیل می‌کند، چرا که هیدروژن بیشترین انرژی سوختن را دارد و می‌تواند به عنوان سوخت در خودروهایی که با پیل سوختی گرما و الکتریسیته تولید می‌کنند، استفاده شود و وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کم کند. اگر بخواهیم به طور عملیاتی به این موضوع فکر کنیم، چنین سوختی ممکن است به ضرورت به شکل ورقه‌های نازک و منعطف ارزان، که به احتمال زیاد از نانوسیم‌های سیلیکونی هستند، تولید شود و در آن از کاتالیست‌های ارزان قیمت که به تولید پربازده هیدروژن کمک می‌کنند، استفاده شود.
"سوخت ایده‌آلی که می‌تواند عطش انرژی ما را در آینده پاسخ دهد، از نباتات و جلبک‌ها نیست؛ بلکه این خود خورشید است که می‌تواند بدون واسطه نیاز روزافزون ما به انرژی را تأمین کند."
آنتونیو رگالادو

مقدمه:
ناتان لوییز داشت با هیجان از بحران انرژی سخن می‌گفت و دلهره‌های آن را بیان می‌کرد. برای پیشگیری از گرم شدن زمین شیمی‌دانانی از مؤسسه فناوری کالیفرنیا می‌گویند بشر باید تا سال 2050 بتواند بیش از 10 تریلیون وات انرژی پاک، خالص و بدون کربن تأمین کند. این مقدار انرژی سه برابر نیاز 3.2 تریلیون واتی آمریکا است. وی تأکید کرد با ایجاد سدهای مختلف جلوی هر دریاچه، جریان و رودخانه‌ای در زمین، تنها می‌توان 5 تریلیون وات انرژی هیدرولیکی تهیه کرد. او گفت انرژی هسته‌ای می‌تواند این بحران را مدیریت کند، اما برای این کار تا آن زمان باید در طول 50 سال آینده هر دو روز یک راکتور جدید ساخته شود.
این حرف‌ها برای مخاطبان لوییز خیلی مأیوس‌کننده بود، اما لوییز قبل از آن که حرف‌هایش تمام شود، مسیر حرف‌هایش را عوض کرد. لوییز خطاب به مخاطبان مژده داد که یک راه منطقی برای نجات هنوز وجود دارد. او گفت میزان انرژی خورشیدی که در هر ساعت از روز وارد زمین می‌شود، به تنهایی از کل مصرف سالانه همه ما انسان‌ها بیشتر است. اما لوییز گفت برای آن که این انرژی بی حد و حصر ذخیره شود، لازم است تحولی جدی در فناوری سلول‌های خورشیدی اتفاق بیافتد. باید برگ‌هایی مصنوعی ساخته شود که خیلی شبیه به کار گیاهان می‌توانند پرتوهای خورشیدی را جذب کرده و سوخت شیمیایی تولید کنند. ما می‌توانیم این سوخت را مثل بنزین و گاز طبیعی مصرف کرده و ماشین‌ها را به کار بیاندازیم، گرما بسازیم و برق تولید کنیم و سپس این سوخت را برای شب یعنی زمانی که خورشید نیست ذخیره کنیم. این، همان کار بر روی سلول‌های خورشیدی است.
آزمایشگاه ناتان لوییز یکی از متعدد مراکزی است که در حال ساخت برگ‌هایی در مقیاس نیمه‌صنعتی هستند. این برگ‌ها از تراشه‌های رایانه‌ای خیلی بزرگ‌ترند و برای تولید سوخت هیدروژنی از آب، طراحی شده‌اند. در گیاهان، سوخت اصلی که تولید می‌شود قند است که انرژی مورد نیاز گیاه را تأمین می‌کند. هیدروژن برخلاف انواع سوخت‌های فسیلی، پاک می‌سوزد. محققان روی ایده‌های زیادی برای استخراج انرژی از نور خورشید کار می‌کنند. مثلاً تا کنون به روش ژنتیکی جلبک‌هایی طراحی شده که سوخت‌های زیستی را پمپ می‌کنند، یا با مهندسی صورت گرفته روی فعالیت‌های موجودات زنده مثل باکتری‌ها سوخت تولید می‌شود. این رویکردها تمام سعی و تلاششان آن است که نور خورشید را به انرژی شیمیایی قابل ذخیره‌سازی، حمل و مصرف آسان، تبدیل کنند. لوییز گفت با این همه، برگ مصنوعی بشری بیش از همه موارد بررسی شده مورد استقبال قرار گرفته است تا به برگ‌هایی صنعتی برای تولید انرژی برای همه تبدیل شود.

1. تولید سوخت از نور
اگرچه اندک نمونه‌های آزمایشگاهی هنوز نتوانسته‌اند بیشتر از مقادیر کمی، سوخت خورشیدی (یا سوخت برقی، به همان شکلی که گاه مواد شیمیایی اطلاق می‌شوند) تولید کنند، فناوری باید طوری جلو برود و به جایی برسد که سوخت تولیدی بتواند در مقیاس انبوه و خیلی ارزان تولید شود تا به همه نیاز کل آمریکا پاسخ دهد. لوییز احتمال می‌دهد که نیاز باشد جای ابزارهای تراشه‌ای مجزا، لایه‌های سوخت خورشیدی را نازک و انعطاف‌پذیر بسازند که بتواند مثل فرش و چاپخانه در خطوط تولید پرسرعت به صورت رول درآید. این فیلم‌های نازک باید مثل فرش ارزان باشند و منطقه بزرگی را پوشش دهد.
این موضوع دور از انتظاری نیست، چرا که فناوری مستقیم تهیه سوخت از خورشید عملیاتی شده است. تقریباً بعد از بحران نفت دهه 1970 پیشرفت‌های این حوزه آغاز شده است. اکنون با این نوع انرژی نو و بحران آلودگی هوا، سوخت خورشیدی مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. یکی از فعالان این حوزه به نام استرینگ از دانشگاه آبسالای سوئد که در حال کار روی سیستم‌های مصنوعی است تا از فوتوسنتز تقلید کند، می‌گوید: «تعداد شوراهایی که روی این مسأله کار می‌کنند از دو شورا در سال 2001 به 29 شورا تا کنون رسیده است. او می‌افزاید شوراها آن‌قدر زیاد هستند که ممکن است ما درست حساب نکرده باشیم».
در جولای 2010 وزارت انرژی امریکا 122 میلیون دلار اضافه‌تر از حمایت پنج ساله به تیمی از دانشمندان در آزمایشگاه‌های مختلف که لوییز آن‌ها را هدایت می‌کرد، داد تا فناوری سوخت خورشیدی را به عنوان یکی از سه اولویت جدید در حوزه انرژی توسعه دهند. استیون مقام ارشد علمی وزارت انرژی می‌گوید: «سوخت‌های خورشیدی باید دو مسأله بزرگ را حل کنند. امنیت انرژی و آلاینده‌های کربنی». به عقیده او تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت در عمل با وزنه‌های بسیار سنگینی روبه‌رو هست که باید بالای سر برده شود، اما می‌گوید این فناوری چیزی است که سرمایه‌گذاری در آن ارزشمند است چرا که «مقصود به اندازه کافی بزرگ است».
اگر ما بخواهیم زمین را حفظ کنیم مجبوریم دست از همه فلزات کمیاب برداریم و با مواد ارزانی مثل آهن کار کنیم تا واکنش‌ها سریع‌تر شود.
در فوتوسنتز، برگ‌های سبز از انرژی نور خورشید استفاده می‌کنند تا پیوندهای شیمیایی آب و دی‌اکسیدکربن را بازآرایی کنند و سوخت را تولید و به صورت قند ذخیره می‌کنند. لوییز می‌گوید: «ما می‌خواهیم تا جایی که ممکن است چیزی نزدیک به برگ بسازیم، یعنی ابزارهایی که بتوانند به سادگی کار کنند، هر چند ممکن است خروجی شیمیایی متفاوتی داشته باشند».
برگ مصنوعی که لوییز در حال طراحی آن است به دو عنصر اصلی نیاز دارد؛ یک جمع‌کننده که انرژی خورشیدی (فوتون) را به انرژی الکتریکی (الکترون) تبدیل کند و یک الکترولایزر که از انرژی الکترون‌ها برای شکستن آب به اکسیژن و هیدروژن استفاده می‌کند. یک کاتالیست - یک ماده شیمیایی یا فلز- باید باشد تا در شکستن پیوندها کمک کند. هنوز سلول‌های خورشیدی موجود از نور خورشید برق تولید می‌کنند و الکترولایزرها در فرایندهای تجاری مختلفی استفاده می‌شوند، بنابراین تلفیق این دو به یک فیلم ارزان و پربازده راه صحیحی است.
نمونه‌هایی نیمه‌صنعتی ساخته شده که نشان دهد این زوج استعداد این را دارند که در کنار هم کار کنند. مثلاً مهندسین اتومبیل‌سازی هوندای ژاپن جعبه‌ای ساخته‌اند که از یخچال بزرگ‌تر است و با سلول‌های خورشیدی پوشیده شده است. یک الکترولایزر در داخل این دستگاه قرار دارد که از الکتریسیته برای شکستن مولکول‌های آب استفاده می‌کند. مخزن، اکسیژن حاصل را در هوای محیط آزاد می‌کند و هیدروژن باقی‌مانده را فشرده کرده و ذخیره می‌کند. هوندا می‌تواند از این هیدروژن برای پرکردن باک هیدروژن خودروهای خود که با پیل سوختی کار می‌کنند، استفاده کند. در اصل این شیوه می‌تواند مشکل گرم شدن زمین را حل کند: تنها نور خورشید و آب نیاز است تا انرژی تولید شود، محصول جانبی اکسیژن است و خروجی احتراق هیدروژن بعد در پیل سوختی آب خواهد بود. مسأله این است که سلول‌های خورشیدی تجاری حاوی کریستال‌های گران‌قیمت سیلیکون هستند و الکترولایزر‌ها با فلز نجیب پلاتین بسته‌بندی شده‌اند که تا امروز بهترین ماده برای تسریع در شکستن پیوند آب است، اما قیمت آن 1500 دلار به ازای هر اونس (28 گرم) است.
این به معنای آن است که با این هزینه سرسام‌آور، ایستگاه سوخت هیدروژن خورشیدی هوندا و هیچ مولد دیگر سوختی که از این مواد گران استفاده می‌کند، هرگز انرژی جهان را تأمین نخواهد کرد. لوییز محاسبه می‌کند که برای برآورده کردن نیاز انرژی جهان، وسیله‌هایی که سوخت خورشیدی مصرف می‌کنند به اجبار باید قیمتی کمتر از یک دلار به ازای هر فوت (حدود 30.48 سانتیمتر) مربع سطح جمع‌کننده خورشیدی قیمت داشته باشند و بتوانند 10 درصد آن انرژی را به سوخت شیمیایی تبدیل کنند. اساساً فناوری‌های جدیدی نیاز است که از لحاظ شکل‌کاری مانند کارخانه‌های فرش ماشینی یا کارگاه‌های ساخت فیلم‌های نازک باشند تا بتوانند حجم بالایی از مواد ارزان را تولید کنند. این چیزی است که همکار لوییز در کالتک با نام هری اتواتر با جمله‌اش روی آن صحه می‌گذارد: «ما باید به تراشه سیب زمینی فکر کنیم نه تراشه سیلیکونی».

2. به دنبال یک کاتالیست
علی‌رغم چندین دهه کار پرنوسان، تحقیق در مورد فناوری ساخت سلول‌های خورشیدی با کارایی بالا در مراحل اولیه باقی مانده است. یک تجربه قدیمی این را به خوبی نشان می‌دهد. در سال 1998 جان ترنر از آزمایشگاه ملی انرژی‌های تجدیدپذیر، ابزاری به اندازه یک قوطی کبریت ساخت که وقتی در آب قرار می‌گرفت و نور خورشید به آن می‌رسید با سرعت بالایی هیدروژن و اکسیژن از آن بیرون می‌زد و 12 برابر یک برگ بازدهی داشت. اما ساخته ترنر مواد گران و نادری مثل پلاتین را به عنوان کاتالیزور نیاز داشت. یک حساب دستی، نشان می‌داد که قیمت پیل سوختی خورشیدی ترنر به ازای هر سانتیمتر مربع اندازه 10000 دلار بود. این قیمت فقط برای کاربردهای نظامی و کاربردهای ماهواره‌ای مناسب بود، نه مصرف همگانی.
فلزات نجیب که اغلب به عنوان بهترین کاتالیست‌ها شناخته می‌شوند، کمیابند. استیرینگ می‌گوید این سخت‌ترین مانع در مسابقه ساخت برگ‌های خورشیدی است. اگر بخواهیم جهان را حفظ کنیم، مجبوریم دست از همه این فلزات نجیب برداریم و با مواد ارزانی مثل آهن و کبالت و منگنز کار کنیم. مشکل دیگری هم وجود دارد و آن این است که واکنش تجزیه آب که در بین فرایندها است، بسیار خورنده است. گیاهان این عمل را دائماً با بازسازی ماشین‌های فوتوسنتزشان انجام می‌دهند. سلول سوخت خورشیدی ترنر تنها توانست 20 ساعت دوام آورد.
امروز تحقیقات ترنر روی ابداع نسل موفقی از کاتالیزورها با قیمت کمی ارزان‌تر و جمع‌کننده‌هایی با کارکرد طولانی‌تر سپری می‌شود. مدت‌هاست که تحقیقات در این زمینه خیلی بد زمین می‌خورد و به نتیجه نمی‌رسد. ترنر می‌گوید: «من گیج و گنگ در جنگل دنبال ماده‌ای می‌گردم که کاری که من می‌خواهم را انجام دهد. پیشرفت خیلی کم بوده است».
تیم‌های دیگر نیز کاتالیست‌ها را دنبال می‌کنند، که یک مورد آن را دنیل نسرا از مؤسسه فناوری ماساچوست دنبال می‌کند. در سال 2008 نسرا و همکارانش روی ترکیب ارزان فسفات و کبالت کار کردند. این ترکیب، تولید اکسیژن به عنوان یک جزء ضروری در واکنش تجزیه آب را تسریع می‌کرد.
حتی نمونه نیمه‌صنعتی هم بخش کوچکی از یک معمای بزرگ است. محققان کاتالیست بهتری را برای تولید سوخت اصلی یعنی هیدروژن پیدا نکرده‌اند. MIT از آن به عنوان جهش بزرگ به سوی فوتوسنتز مصنوعی یاد می‌کند. نسرا پیش‌بینی کرده است که آمریکایی‌ها بتوانند به زودی هیدروژن ماشین‌هایشان را با تجهیزات خانگی مقرون به صرفه تولید کنند. اما این ادعا به نظر متخصصان سوخت خورشیدی با تحقیقاتی که چند دهه است ادامه دارد، زیاد تحقق یافتنی نیست.
در ضمن در کالتک، لوییز روی روشی کار می‌کرد که فوتون‌های خورشید را جمع و تبدیل می‌کرد. این مرحله نخست در هر ابزار خورشیدی که خیلی ارزان‌تر از سلول‌های خورشیدی سابق یعنی سیلیکون کریستالی باشد، است. او یک جمع‌کننده طراحی کرد و آن را از نانوسیم‌های سیلیکونی ساخت که در یک فیلم پلاستیکی قرار داشتند. او می‌گوید اگر این ورق پلاستیکی بزرگ‌تر ساخته شود، امکان رول‌کردن و پهن‌کردن آن‌ها مثل یک پتو هم وجود دارد. نانوسیم‌های او نور را به انرژی الکتریکی با 7 درصد بازدهی تبدیل می‌کنند. این سلول‌های خورشیدی برعکس سلول‌های خورشیدی تجاری سفید رنگ هستند و تا 20 درصد بازدهی دارند. اما اگر آن‌ها به قدر کافی از مواد ارزان قیمت استفاده کنند، تولید رول روزنامه‌ای شکل این سلول‌ها با بازدهی کمتر هم قابل قبول است.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820

محققان شک دارند که هیدروژن بهترین گزینه انتخاب شده در سوخت خورشیدی باشد. تیم‌هایی هستند که روی موجودات زنده مثل باکتری‌ها کار می‌کنند. این موجودات سوخت زیستی تولید می‌کنند. ذخیره و انتقال این سوخت مایع کم دردسرتر از هیدروژن است. با این همه چیزی به اندازه گاز هیدروژن انعطاف‌پذیر نیست، هیدروژن هم می‌تواند در خودرو‌های پیل سوختی استفاده شود و هم در نیروگاه‌ها برای تولید برق استفاده شود و حتی می‌تواند به عنوان خوراک در تولید دیزل مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد. لوییز گفت با این وجود کلید این مسأله ساخت سوخت شیمیایی با ظرفیت انرژی بالایی است که حداقل انتشار کربنی را دارد. پس نباید هیدروژن را رها کرد.
برگ‌های گیاهان واقعی ثابت کرده‌اند که نور خورشید را تنها با کمک عناصر پایه می‌توان به سوخت تبدیل کرد. آیا بشر قادر است که از این فرایند تقلید کند تا از گرم شدن سیاره جلوگیری کند؟ پاسخ این مسأله زیاد روشن نیست. لوییز می‌گوید این حقیقت که ما هنوز نتوانسته‌ایم این مسأله را حل کنیم به این خاطر است که هنوز باید روی این موضوع کار کرد. او در مورد سیاست‌ها اظهار نگرانی می‌کند. تصمیم‌سازان، آژانس‌های سرمایه‌گذاری دولتی و حتی دانشمندان هنوز بزرگی مسأله انرژی را به خوبی درک نکرده‌اند. این است که او زمان زیادی را صرف نطق‌های مکرر برای راهکار خورشیدی می‌کند. ما این مسأله را درک نمی‌کنیم مگر جایی که دیگر نتوانیم از شکست جلوگیری کنیم.

3. نانوسیم‌های خورشیدی از طبیعت تقلید می‌کنند
گیاهان انرژی خورشید را می‌ربایند تا دی‌اکسیدکربن و آب را به قند تبدیل کنند، سوختی شیمیایی که می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد یا ذخیره شود (چپ). محققان برگ‌های مصنوعی را برای استفاده از نور خورشید برای تجزیه مولکول‌های آب و ایجاد سوخت هیدروژنی توصیه کرده‌اند. گروه ناتان لوییز در مؤسسه فناوری کالیفرنیا در حال طراحی برگ‌های کوچکی از نانوسیم‌های سیلیکونی هستند که می‌توانند هیدروژن بسازند.
 

منابـــع و مراجــــع

A.Regalado, Scientific American, 2011, E 68-71