طور فريق من الباحثين من جامعة خليفة مولدًا نانويًا كهربائيًا جديدًا باستخدام مواد نانوية متقدمة ثنائية الأبعاد لتحقيق كثافة عالية للطاقة وتحسين أداء التشغيل، حيث تقوم المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية بتحويل الطاقة الميكانيكية إلى كهرباء يمكن الاستفادة منها لكن توجد هناك العديد من التحديات التي تشمل الإنتاج المنخفض وغير المتسق للطاقة والمقاومة الداخلية العالية والحاجة إلى تحسين آليات نقل الشحنة.
استخدم الفريق البحثي المكسينات، وهي مجموعة من المواد ثنائية الأبعاد تتميز بأنها مائية وموصلة للكهرباء بشكل فعال، للتغلب على هذه التحديات، وساهمت جهودهم هذه في تطوير تكنولوجيا المولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية إلى المزيد من التقدم، مما يدل على إمكانية الاستفادة من المواد المتقدمة مثل المكسينات للتغلب على القيود السابقة. لذلك، توفر المولدات التي تم تطويرها نموذجًا مثاليًا لمصادر الطاقة الموثوقة والفعالة والآمنة على البيئة لتتناسب مع التكنولوجيات الحديثة من خلال دمج هذه المواد في الأجهزة المبتكرة.
وتعاون كل من الدكتور شعيب أنور والأستاذ الدكتور ليانشي جنغ، من قسم الهندسة الميكانيكية والدكتور محمد عمير خان والأستاذ الدكتور بيكر محمد والدكتور محمد رزق، من مركز الأنظمة الدقيقة والأستاذ الدكتور ويسلي كانتويل من مركز الطباعة الرقمية ثلاثية الأبعاد المتقدم مع دونغمينغ غان من جامعة بيردو، في هذا المشروع ونُشرت نتائجهم في مجلة "كيميكال إنجينيرينغ" وهي مجلة علمية مدرجة في قائمة أفضل 1% من المجلات العلمية المعنية بالهندسة الصناعية والتصنيع.
من جهته قال الدكتور أنور: "يتم تطوير تريليونات الأجهزة الإلكترونية الدقيقة والمستشعرات واستخدامها لمراقبة البيئة وصحة الإنسان والتكنولوجيا القابلة للارتداء والأمن والروبوتات، في الوقت الذي ينتقل فيه العالم إلى عصر إنترنت الأشياء والتعلم الآلي. يعتمد تشغيل هذه الأجهزة بصورة أساسية على بطاريات كيميائية متنوعة، إلّا أنه يجب شحنها واستبدالها بشكل متكرر نظرًا لسعتها المحدودة ، الأمر الذي يزيد من التكاليف والحاجة الدائمة للصيانة، كما أنها تشكل تلوثًا كبيرًا يهدد البيئية".
يمكن استخدام المكسينات كونها مادة ثنائية الأبعاد، كصفائح مكدسة فوق بعضها البعض لتشكيل رقائق مرنة ومستقرة. وقدم الفريق هيكلًا يتكون من نوعين من الطبقات المرتبة فوق بعضها، طبقة رقيقة من المكسينات في القطب الاحتكاكي السالب وطبقة احتكاكية موجبة تستخدم مصفوفة بوليمر مملوءة بكلوريد الصوديوم. ويقوم هذا التصميم على قدرة المكسينات على احتجاز الشحنات وتجميعها وقدرة كلوريد الصوديوم على تعزيز فصل الشحنات.
وفي السياق، أظهرت المولدات الجديدة التي صممها الفريق جهدًا كهربائيًا كبيرًا وكثافة طاقة عالية لتتفوق على العديد من التكنولوجيات الحالية للمولدات النانوية الكهربائية الاحتكاكية، كما تمكن الفريق خلال الاختبار من إضاءة أكثر من 500 مصباح والشحن السريع للأجهزة المكثفة، الأمر الذي يمثل قفزة كبيرة على مستوى الأداء والتطبيق العملي.
وتتيح ميزة الحساسية الدقيقة في هذه المولدات اكتشاف الحركات الفيزيولوجية الدقيقة لدى الإنسان، الأمر الذي يؤكد على قدراتها في أجهزة المراقبة الصحية القابلة للارتداء وكجزء أساسي في التطبيقات الإلكترونية المستدامة.
ومن جانبه قال الأستاذ الدكتور ليانشي: "يمهد هذا الابتكار الاقتصادي والمستدام طريقًا جديدًا أمام تصميم مستشعر ذاتي التشغيل لمراقبة حركة الجسم في الإلكترونيات المستدامة مستقبلًا".
ترجمة: مريم ماضي