انرژی های پاک و تجدید پذیر، موضوع داغِ حالِ حاضرِ دنیاست بطوریکه کشورهای پیشرفته بطور جدی در حال مطالعه و تحقیق در مورد نحوه دستیابی به انرژی های تجدید پذیر و استفاده بهینه از آنها می باشند. علم به اینکه انرژی های فسیلی در برهه ای از زمان به پایان خواهند رسید باعث شده است تا پیدا کردن جایگزینی مناسب برای آنها به امری مهم تبدیل شده و سالیانه پیشرفت های بزرگی در این زمینه حاصل شود. نتایج تحقیقات اخیر نشان داده اند که استفاده از نانو مواد با خواص نوری تقویت شده یکی از عوامل اساسی و مهم در بهینه سازی انرژی های تجدید پذیر می باشد. این موضوع باعث شد تا دسته ای جدید از نانو مواد با نام سوپر کریستال ها توسعه یابند. در ادامه این مطلب به معرفی و بررسی سوپر کریستال ها، نحوه توسعه آنها و نقش آنها در بهینه سازی انرژی های تجدید پذیر می پردازیم.
فلسفه شکل گیری سوپر کریستال ها (Supercrystals)
دریافت و تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی توسط پنل های خورشیدی و استفاده از آن بعنوان یکی از جایگزین های انرژی های فسیلی طی سالیان اخیر انجام شده است. اما نکته ای که در مورد استفاده از انرژی خورشیدی وجود دارد این است که امواج نور زمانیکه به زمین می رسند بخش زیادی از انرژی خود را از دست می دهند و اصطلاحا رقیق می شوند. بنابراین برای اینکه بتوان از انرژی خورشید به خوبی استفاده کرد لازم است تا امواج رقیق شده نور را متمرکز کرد که تابحال اینکار توسط پنل های خورشیدی انجام می شده است. اما با وجود پیشرفت های زیاد در ساخت پنل های خورشیدی، همچنان بازدهی این روش در جذب و تبدیل انرژی خورشیدی کافی نمی باشد. محققین برای حل موضوعِ متمرکز سازیِ بهینه انرژی خورشیدی و افزایش بازدهی تبدیل آن به انرژی الکتریکی از زاویه دیگری به مساله نگاه کردند. آنها نگاه خود را به سمت ابعاد اتمی ماده سوق داده و به این نتیجه رسیدند که با استفاده از فلزات پلاسمونی (Plasmonic Metals) می توانند انرژی خورشیدی را با بازدهی خیلی بالاتر نسبت به پنل های خورشیدی متمرکز کرده و مبدل به انرژی الکتریکی نمایند.
برای درک بهتر این موضوع لازم است تا شناختی از فلزات پلاسمونی داشته باشیم. در سطح اتم های تشکیل دهنده فلزات الکترون های آزاد (Free Electrons) وجود دارند که می توانند حرکت آزادانه داشته باشند. نور خورشید دارای میدان الکترومغناطیس می باشد و زمانیکه نور با الکترون های آزاد قرار گرفته در سطح اتم های فلز برخورد می کند باعث ایجاد نوسان در این الکترون ها شده که نوسانات ایجاد شده تحت عنوان پلاسمون (Plasmon) یا پلاسمون های سطحی (Surface Plasmons) شناخته می شوند. با توجه به تعاریفی که انجام شد، مشخص است که هرچه تعداد الکترون های آزاد در فلزات بیشتر باشد قابلیت شکل گیری پلاسمون های سطحی در آنها نیز بیشتر است. در میان عناصر فلزی مختلف سه فلز طلا، نقره و مس قوی ترین فلزات پلاسمونی شناخته شده می باشند که می توان از قابلیت ویژه آنها در متمرکز کردن انرژی خورشیدی استفاده نمود. لازم به ذکر است که قابلیت تشکیل پلاسمون های سطحی یکی از خواص نوری منحصر بفرد فلزات می باشد.
موضوع دیگری که باید بدانیم این است که چگونه فلزات پلاسمونی در متمرکز کردن نور خورشید و تبدیل آن به انرژی الکتریکی عمل می کنند؟ در بخش قبلی گفته شد زمانیکه الکترون های آزاد اتم های فلز تحت برخورد نور قرار می گیرند شروع به نوسان کرده و پلاسمون سطحی ایجاد می شود. می توان گفت که نور خورشید در برخورد با الکترون های آزاد تبدیل به انرژی جنبشی در سطح اتم شده است. همانطور که می دانیم حرکت الکترون منجر به شکل گیری میدان الکتریکی می شود. بر این اساس، نوسانات شدید الکترون های آزاد که ناشی از برخورد نور می باشد منجر به شکل گیری یک میدان الکتریکی قوی و متمرکز در سطح اتم شده که اصطلاحا نقطه پرانرژی (Hotspot) شناخته می شود. بدین صورت است که انرژی خورشیدی رقیق شده توسط اتم های فلزات پلاسمونی تبدیل به انرژی الکتریکی متمرکز شده می گردد. بنابراین اگر یک فلز پلاسمونی بعنوان مثال طلا در برابر نور خورشید قرار گیرد، میدان های الکتریکی قوی و کوچ در ابعاد اتمی ایجاد می شوند که می توان از انرژی تولید شده این میدان ها با بازدهی به مراتب بالاتر بهره برداری و استفاده کرد.
با توجه به توضیحات بالا می توانیم فلسفه توسعه سوپر کریستال ها را متوجه شویم. برای اینکه بتوان از قابلیت فلزات پلاسمونی با بالاترین بازدهی ممکن استفاده نمود باید تعداد اتمهای سطحی فلز را افزایش داد؛ به عبارت دیگر باید نسبت سطح به حجم فلز را تقویت کرد. به این علت که هرچه تعداد اتمهای فلز پلاسمونی در سطح بیشتر باشد نور خورشید با تعداد الکترون های آزاد بیشتری نیز برخورد خواهد داشت که در نتیجه آن نوسانات بیشتر و نهایتا پلاسمون های سطحی بیشتری ایجاد خواهند شد. متعاقبا هرچه نوسانات الکترون های آزاد نیز بیشتر باشند میدان الکتریکی ایجاد شده نیز قوی تر است. با توجه به این موضوع پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که دستیابی به چنین شرایطی تنها در مقیاس نانومتری امکان پذیر است جایی که ذرات فلز پلاسمونی به شدت کوچک شده باشند (ابعاد نانومتری) بطوریکه نسبت سطح به حجم آنها افزایش چشمگیر داشته و اتم های بیشتری در سطح ذرات قرار گیرند. آنها متوجه شدند که اگر بتوانند نانو ذرات فلزات پلاسمونی را به طور منظم و چسبیده بهم کنار یکدیگر بنشانند (تشکیل ساختار کریستالی Close – Packed) در آنصورت می توانند در سطح این نانو ذرات میدان های الکتریکی با انرژی خیلی زیاد (Nano Hotspots) را ایجاد کنند. محققان این نانو ساختار جدید و بشدت منظم را کریستال های کلوئیدی (Colloidal Crystals) یا سوپر کریستال ها (Supercrystals) نامگذاری کردند. در شکل زیر تصویر میکروسکوپ الکترونی ساختار سوپرکریستال سنتز شده از فلزات پلاسمونی نشان داده شده است.
(تصویر میکروسکوپ الکترونی ساختار سوپرکریستال ها)
توسعه این نانو ساختار جدید دستاوردی بزرگ در حوزه انرژی می باشد و با تکیه بر خواص نوری ویژه سوپرکریستال ها علاوه بر افزایش بازدهی تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی می توان از آنها بعنوان کاتالیست های نوری نیز استفاده نمود. خواص نوری منحصر بفرد سوپر کریستال ها این نانو ساختار جدید را به یکی از مواد تاثیر گذار و حائز اهمیت در صنایع مختلف نظیر پزشکی، انرژی، تصفیه آلایندگی ها و…. تبدیل خواهد کرد. همین موضوع موجب شده است تا محققان به برطرف کردن چالش بعدی یعنی دستیابی به روش بهینه سنتز سوپرکریستال ها بپردازند. تا بحال روش های گوناگونی برای سنتز این ساختار منحصر بفرد بررسی و استفاده شده اند و مطالعات تکمیلی نیاز است تا روشی که از تمامی جهات بهینه باشد توسعه یابد که این امر بزودی و در آینده ای نزدیک میسر خواهد شد.
منابع:
- https://dx.doi.org/10.1021/acsomega.0c03412
- https://doi.org/10.1038/s41929-023-01053-9
- https://doi.org/10.1021/ja311008r
