پژوهشگران چینی ژنراتور هیدروژلی کشسانی را توسعه دادند که پس از ۸ هزار بار خم شدن همچنان توان الکتریکی پایدار خود را حفظ میکند.
به گزارش سرویس انرژی تکناک، پژوهشگران مؤسسه فناوری هاربین در چین موفق شدهاند این ژنراتور رطوبتی مبتنی بر هیدروژل را بسازند که حتی در شرایط خم شدن، کشیده شدن و تغییر شکل مداوم نیز عملکرد پایداری دارد. این فناوری برای تأمین انرژی تجهیزات پوشیدنی، حسگرهای سلامت و دستگاههای کاشتنی طراحی شده است.
بر اساس گزارش پژوهشگران، یکی از مهمترین چالشهای ژنراتورهای رطوبتی مبتنی بر هیدروژل، چسبندگی ضعیف میان لایه هیدروژل و الکترودها است. این ضعف معمولاً باعث افزایش مقاومت الکتریکی، ناپایداری خروجی و جدا شدن لایهها در زمان اعمال فشارهای مکانیکی میشود.
ژنراتورهای رطوبتی هیدروژلی در سالهای اخیر به دلیل توانایی تبدیل رطوبت محیط به انرژی الکتریکی، توجه گستردهای را به خود جلب کردهاند. انعطافپذیری بالا، وزن کم و امکان تولید انرژی مداوم از ویژگیهای مهم این سامانهها به حساب میآید.
با وجود این، بسیاری از نمونههای موجود هنگام کشش، پیچش یا خم شدن مکرر با افت عملکرد مواجه میشوند. پژوهشگران معتقد هستند که علت اصلی این مشکل، تعامل ضعیف میان هیدروژل و الکترودها است که کارایی انتقال یونها را کاهش میدهد و دوام سامانه را محدود میکند.
تیم تحقیقاتی برای رفع این مشکل، هیدروژلی با چسبندگی بالا طراحی کرد که اتصال میان لایههای عملکردی و الکترودها را تقویت میکند. این هیدروژل در محلول آب و گلیسرول متورم شد و در کنار فلز مایع و الکترودهای نقرهای کشسان به کار رفت تا ژنراتور نهایی ساخته شود.
پژوهشگران اعلام کردند که افزودن گلیسرول باعث آشکار شدن گروههای بیشتری برای ایجاد پیوند هیدروژنی در ساختار هیدروژل شده است. این فرایند تعداد نقاط تماس میان هیدروژل و الکترودها را افزایش داد و در نتیجه چسبندگی بهتر و مقاومت بینسطحی کمتر را به همراه داشت.
کاهش مقاومت بینسطحی باعث شد که یونها در شرایط اعمال کشش و فشار مکانیکی با کارایی بیشتری درون دستگاه جابهجا شوند. همچنین گلیسرول مقاومت هیدروژل را در برابر خشک شدن، یخزدگی و تورم افزایش داد و امکان عملکرد پایدار در شرایط محیطی مختلف را فراهم کرد.
تیم تحقیقاتی برای ارزیابی عملکرد سامانه از آزمایشهای عملی و شبیهسازیهای رایانهای استفاده کرد. نتایج نشان داد که هیدروژل چسبنده جدید امپدانس بینسطحی را کاهش میدهد و بهرهوری انتقال یون را نسبت به ساختارهای متداول افزایش میدهد.
پژوهشگران با استفاده از شبیهسازی دینامیک مولکولی آبابتدایی (AIMD) و محاسبات نظریه تابعی چگالی (DFT) نیز تأیید کردند که رابط تقویتشده میان هیدروژل و الکترود، مهاجرت یونها را تسریع میکند و مانع انرژی مورد نیاز برای حرکت آنها را کاهش میدهد.
این ژنراتور هیدروژلی کشسان توانست ولتاژی بیش از ۰٫۹۴ ولت و چگالی جریانی برابر با ۱۴۱ میکروآمپر بر سانتیمتر مربع تولید کند. پژوهشگران اعلام کردند که خروجی الکتریکی دستگاه حتی در شرایط تغییر شکل مکرر نیز پایدار باقی ماند.
از نظر دوام مکانیکی نیز نتایج قابل توجه بود. سامانه پس از ۱۰۴۰ چرخه کشش همچنان بدون افت محسوس عملکرد به کار خود ادامه داد. همچنین پس از ۸ هزار چرخه خم شدن در زاویه ۱۸۰ درجه، پژوهشگران کاهش قابل توجهی در عملکرد دستگاه مشاهده نکردند.
به گفته محققان، این فناوری میتواند در توسعه نسل آینده تجهیزات پوشیدنی که به منابع انرژی انعطافپذیر و پایدار نیاز دارند نقش مهمی ایفا کند. سامانههای پایش تنفس، حسگرهای سلامت خودتأمین و تجهیزات پزشکی هوشمند از جمله کاربردهای بالقوه این فناوری هستند.
پژوهشگران تأکید کردند که راهکار ارائهشده برای پایدارسازی رابط میان هیدروژل و الکترودها میتواند به افزایش قابلیت اطمینان در سامانههای الکترونیکی نرم کمک کند؛ سامانههایی که معمولاً تحت تأثیر تنشهای مکانیکی با افت عملکرد مواجه میشوند.
نتایج این پژوهش در نشریه علمی Nano-Micro Letters منتشر شده است.
