18 مارس 2024 (أضواء Nanowerk) لقد أدى ظهور التكنولوجيا القابلة للارتداء إلى ظهور حاجة ملحة لحلول تخزين الطاقة التي يمكنها مواكبة مرونة الأجهزة الإلكترونية اللينة وقابليتها للتمدد. البطاريات الصلبة التقليدية و المكثفات الفائقة لقد أثبتت أنها غير كافية للدمج السلس في الأجهزة القابلة للارتداء والتي يجب أن تتوافق مع جسم الإنسان وتتحمل ضغط الاستخدام اليومي. وقد أدى عدم التوافق بين تخزين الطاقة ومرونة الأجهزة إلى إعاقة التقدم في مجالات مثل مراقبة الصحة، والمنسوجات الذكية، والغرسات الطبية الحيوية. ظهرت المكثفات الفائقة الدقيقة (MSCs) كمرشح واعد لتخزين الطاقة القابلة للتشوه، وذلك بفضل كثافتها العالية الطاقة، والشحن السريع، ودورة الحياة الطويلة. ومع ذلك، فقد ثبت أن إنشاء أنماط معقدة من الأقطاب الكهربائية المتداخلة اللازمة لمراكز MSC عالية الأداء باستخدام مواد يمكنها تحمل التمدد والالتواء المتكرر أمر صعب. في حين أن الباحثين قد خطوا خطوات واسعة في تعزيز المرونة من خلال الزخرفة المبتكرة والركائز المرنة، فإن العديد من الأساليب تتطلب تصنيعًا معقدًا ولا تزال تفشل في ظل التشوه الشديد. الآن، جهد بحثي تعاوني بقيادة الدكتور تشانوو يانغ من المعهد الكوري للتكنولوجيا الصناعية والأستاذ جين كون كيم من جامعة بوهانج للعلوم والتكنولوجيا، أسفرت عن حل محتمل. في ورقتهم المنشورة في npj الالكترونيات المرنة ("مكثف فائق صغير قابل للتشوه يتم تصنيعه عن طريق نقش الجرافين / المعدن السائل بالليزر")، قام الفريق بتفصيل تفاصيل تصنيع المواد شديدة التشوه الجرافين MSCs القائمة على استخدام المعدن السائل المجمعات الحالية على ركيزة بوليمر مرنة.
a رسم توضيحي لنظام متكامل يشتمل على مكونات إلكترونية لتخزين الطاقة وقابلة للتشوه. b عملية تصنيع MSC المستندة إلى EGaIn. c أطياف الأشعة فوق البنفسجية لـ SEBS وEGaIn والجرافين. صور FE-SEM لاستئصال الليزر d الجرافين / EGaIn و e ايجين (شريط المقياس = 200 ميكرومتر). صور فوتوغرافية ل f شعارات المعهد, g الشعارات المشوهة، و h مؤشر LED متصل بدائرة MSC (شريط القياس = 1 سم). (الصورة: © npj Elastic Electronics) يكمن الابتكار الرئيسي في استخدام غاليوم إنديوم سهل الانصهار (EGaIn)، وهو عبارة عن سبيكة معدنية سائلة، كمجمع للتيار. "لتنفيذ MSC قابل للتشوه، هناك حاجة إلى مجمع تيار قابل للتشوه،" يشرح كيم لـ Nanowerk. "ومع ذلك، فإن المجمعات الحالية شائعة الاستخدام مصنوعة من مواد هشة مثل الذهب (Au). ولمعالجة هذه المشكلة، اخترنا "المعدن السائل" الذي يمتلك بطبيعته خصائص الموصلية السائلة والمعدنية." تبدأ عملية التصنيع بتغطية طبقة رقيقة من EGaIn على ركيزة قابلة للتمدد من الستايرين-إيثيلين-بوتيلين-ستايرين (SEBS)، يليها ترسيب طبقة الجرافين لتكون بمثابة مادة القطب النشط. قام الباحثون بشكل انتقائي باستئصال الجرافين وEGaIn للحصول على نمط متشابك باستخدام الليزر، مستغلين امتصاص الليزر القوي لهذه المواد مقارنة بـ SEBS الشفاف. ومن خلال ضبط كثافة الليزر بعناية، يحققون نقشًا دقيقًا دون الإضرار بالركيزة المرنة الأساسية. يعد اختيار المواد أمرًا حاسمًا لنجاح هذا النهج. يقول كيم: "لقد نجحنا في تحقيق تنميط المعدن السائل من خلال الاستفادة من امتصاصه الممتاز لطول موجة الليزر". "علاوة على ذلك، من خلال ضبط شدة الليزر، قمنا بمنع الضرر الذي يلحق بالركيزة بسبب الحرارة الناتجة عن الليزر، في حين تم التخلص من كل من الجرافين والمعادن السائلة بواسطة الليزر." يمكن لركيزة SEBS، التي لا تمتص الطول الموجي لليزر، أن تتحمل الحرارة المتولدة أثناء الاجتثاث، مما يسمح بإنشاء أنماط عالية الدقة مع فجوات قطب كهربائي صغيرة تصل إلى 90 ميكرومتر. تُظهر الخلايا الجذعية الصلبة الناتجة أداءً مثيرًا للإعجاب، حيث تحقق سعات مساحية تصل إلى 1336 ميكروفاراد سم-2 مع الحفاظ على قدرة معدل جيد. والأهم من ذلك، أن الأجهزة لا تظهر أي تدهور كبير في ظل التشوهات الميكانيكية المختلفة، بما في ذلك الطي والتجعيد والالتواء والتمدد، حتى بعد 1000 دورة تشوه. يؤكد كيم على أن "MSC الذي يستخدم مجمع تيار من المعدن السائل لم يظهر أي تغيير في أداء تخزين الطاقة في ظل التشوهات الميكانيكية المختلفة وحتى بعد التشوهات المتكررة"، مما يسلط الضوء على إمكانية قيام هذه الأجهزة بتشغيل الإلكترونيات المرنة القابلة للارتداء. ولإظهار الإمكانات العملية لخلايا MSC الخاصة بهم، قام الباحثون بدمج مجموعة من الأجهزة مع الثنائيات الباعثة للضوء لإنشاء نظام إضاءة قابل للتمدد. حافظ النظام على تشغيل مستقر في ظل الانحناء والالتواء والتمدد الشديد، مما يوضح قدرة الخلايا الجذعية الصلبة (MSCs) على تشغيل الإلكترونيات القابلة للتشوه بشكل موثوق. وبالنظر إلى المستقبل، يرى كيم ويانغ مجالًا لمزيد من التحسين وإمكانيات مثيرة للتطبيقات المستقبلية. ويشيرون إلى أنه "في مجال الخلايا الجذعية السرطانية، يظل تحقيق كثافة طاقة عالية وقابلية عالية للتشوه يمثل تحديًا كبيرًا في نفس الوقت". "وهذا لأنه أثناء التشوه الميكانيكي، لا ينبغي الحفاظ على الواجهة بين المجمع الحالي والمادة النشطة بشكل جيد فحسب، بل يجب أيضًا زيادة كثافة الطاقة للمواد النشطة نفسها. ولذلك يجب حل هذه المشكلة." في حين أن هناك حاجة إلى عمل إضافي لتعزيز المتانة الميكانيكية للكهارل الهلامي المستخدم في هذه الخلايا الجذعية الصلبة، فإن استخدام أقطاب معدنية سائلة منقوشة بالليزر يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير حلول تخزين الطاقة القابلة للتشوه حقًا. مع استمرار تقدم التقنيات القابلة للارتداء، ستلعب ابتكارات مثل هذه دورًا حيويًا في ضمان قدرة أجهزتنا على التكيف مع متطلبات أنماط حياتنا الديناميكية. من الملابس الذكية التي تراقب صحتنا إلى الغرسات الطبية الحيوية التي تتكيف مع أجسادنا، سيعتمد مستقبل الإلكترونيات القابلة للارتداء على أنظمة تخزين الطاقة التي ليست فقط مدمجة وقوية ولكنها أيضًا مرنة مثلنا. بفضل مزيجها الفريد من الموصلات المعدنية السائلة، والركائز المرنة، والأداء الكهروكيميائي العالي، تقدم الخلايا الجذعية الصلبة القائمة على الجرافين لمحة مثيرة عن هذا المستقبل، وتوسع حدود ما هو ممكن في تخزين الطاقة القابلة للارتداء. ومع تقدم الأبحاث في هذا المجال، يمكننا أن نتطلع إلى جيل جديد من الأجهزة القابلة للارتداء والتي تتكامل بسلاسة مع حياتنا، مدعومة بحلول تخزين الطاقة القابلة للتشوه والتي لا تعيقنا أبدًا.
a رسم توضيحي لنظام متكامل يشتمل على مكونات إلكترونية لتخزين الطاقة وقابلة للتشوه. b عملية تصنيع MSC المستندة إلى EGaIn. c أطياف الأشعة فوق البنفسجية لـ SEBS وEGaIn والجرافين. صور FE-SEM لاستئصال الليزر d الجرافين / EGaIn و e ايجين (شريط المقياس = 200 ميكرومتر). صور فوتوغرافية ل f شعارات المعهد, g الشعارات المشوهة، و h مؤشر LED متصل بدائرة MSC (شريط القياس = 1 سم). (الصورة: © npj Elastic Electronics) يكمن الابتكار الرئيسي في استخدام غاليوم إنديوم سهل الانصهار (EGaIn)، وهو عبارة عن سبيكة معدنية سائلة، كمجمع للتيار. "لتنفيذ MSC قابل للتشوه، هناك حاجة إلى مجمع تيار قابل للتشوه،" يشرح كيم لـ Nanowerk. "ومع ذلك، فإن المجمعات الحالية شائعة الاستخدام مصنوعة من مواد هشة مثل الذهب (Au). ولمعالجة هذه المشكلة، اخترنا "المعدن السائل" الذي يمتلك بطبيعته خصائص الموصلية السائلة والمعدنية." تبدأ عملية التصنيع بتغطية طبقة رقيقة من EGaIn على ركيزة قابلة للتمدد من الستايرين-إيثيلين-بوتيلين-ستايرين (SEBS)، يليها ترسيب طبقة الجرافين لتكون بمثابة مادة القطب النشط. قام الباحثون بشكل انتقائي باستئصال الجرافين وEGaIn للحصول على نمط متشابك باستخدام الليزر، مستغلين امتصاص الليزر القوي لهذه المواد مقارنة بـ SEBS الشفاف. ومن خلال ضبط كثافة الليزر بعناية، يحققون نقشًا دقيقًا دون الإضرار بالركيزة المرنة الأساسية. يعد اختيار المواد أمرًا حاسمًا لنجاح هذا النهج. يقول كيم: "لقد نجحنا في تحقيق تنميط المعدن السائل من خلال الاستفادة من امتصاصه الممتاز لطول موجة الليزر". "علاوة على ذلك، من خلال ضبط شدة الليزر، قمنا بمنع الضرر الذي يلحق بالركيزة بسبب الحرارة الناتجة عن الليزر، في حين تم التخلص من كل من الجرافين والمعادن السائلة بواسطة الليزر." يمكن لركيزة SEBS، التي لا تمتص الطول الموجي لليزر، أن تتحمل الحرارة المتولدة أثناء الاجتثاث، مما يسمح بإنشاء أنماط عالية الدقة مع فجوات قطب كهربائي صغيرة تصل إلى 90 ميكرومتر. تُظهر الخلايا الجذعية الصلبة الناتجة أداءً مثيرًا للإعجاب، حيث تحقق سعات مساحية تصل إلى 1336 ميكروفاراد سم-2 مع الحفاظ على قدرة معدل جيد. والأهم من ذلك، أن الأجهزة لا تظهر أي تدهور كبير في ظل التشوهات الميكانيكية المختلفة، بما في ذلك الطي والتجعيد والالتواء والتمدد، حتى بعد 1000 دورة تشوه. يؤكد كيم على أن "MSC الذي يستخدم مجمع تيار من المعدن السائل لم يظهر أي تغيير في أداء تخزين الطاقة في ظل التشوهات الميكانيكية المختلفة وحتى بعد التشوهات المتكررة"، مما يسلط الضوء على إمكانية قيام هذه الأجهزة بتشغيل الإلكترونيات المرنة القابلة للارتداء. ولإظهار الإمكانات العملية لخلايا MSC الخاصة بهم، قام الباحثون بدمج مجموعة من الأجهزة مع الثنائيات الباعثة للضوء لإنشاء نظام إضاءة قابل للتمدد. حافظ النظام على تشغيل مستقر في ظل الانحناء والالتواء والتمدد الشديد، مما يوضح قدرة الخلايا الجذعية الصلبة (MSCs) على تشغيل الإلكترونيات القابلة للتشوه بشكل موثوق. وبالنظر إلى المستقبل، يرى كيم ويانغ مجالًا لمزيد من التحسين وإمكانيات مثيرة للتطبيقات المستقبلية. ويشيرون إلى أنه "في مجال الخلايا الجذعية السرطانية، يظل تحقيق كثافة طاقة عالية وقابلية عالية للتشوه يمثل تحديًا كبيرًا في نفس الوقت". "وهذا لأنه أثناء التشوه الميكانيكي، لا ينبغي الحفاظ على الواجهة بين المجمع الحالي والمادة النشطة بشكل جيد فحسب، بل يجب أيضًا زيادة كثافة الطاقة للمواد النشطة نفسها. ولذلك يجب حل هذه المشكلة." في حين أن هناك حاجة إلى عمل إضافي لتعزيز المتانة الميكانيكية للكهارل الهلامي المستخدم في هذه الخلايا الجذعية الصلبة، فإن استخدام أقطاب معدنية سائلة منقوشة بالليزر يمثل خطوة مهمة إلى الأمام في تطوير حلول تخزين الطاقة القابلة للتشوه حقًا. مع استمرار تقدم التقنيات القابلة للارتداء، ستلعب ابتكارات مثل هذه دورًا حيويًا في ضمان قدرة أجهزتنا على التكيف مع متطلبات أنماط حياتنا الديناميكية. من الملابس الذكية التي تراقب صحتنا إلى الغرسات الطبية الحيوية التي تتكيف مع أجسادنا، سيعتمد مستقبل الإلكترونيات القابلة للارتداء على أنظمة تخزين الطاقة التي ليست فقط مدمجة وقوية ولكنها أيضًا مرنة مثلنا. بفضل مزيجها الفريد من الموصلات المعدنية السائلة، والركائز المرنة، والأداء الكهروكيميائي العالي، تقدم الخلايا الجذعية الصلبة القائمة على الجرافين لمحة مثيرة عن هذا المستقبل، وتوسع حدود ما هو ممكن في تخزين الطاقة القابلة للارتداء. ومع تقدم الأبحاث في هذا المجال، يمكننا أن نتطلع إلى جيل جديد من الأجهزة القابلة للارتداء والتي تتكامل بسلاسة مع حياتنا، مدعومة بحلول تخزين الطاقة القابلة للتشوه والتي لا تعيقنا أبدًا.
By
مايكل
بيرجر
- مايكل مؤلف لثلاثة كتب للجمعية الملكية للكيمياء:
جمعية النانو: دفع حدود التكنولوجيا,
تقنية النانو: المستقبل صغيرو
هندسة النانو: المهارات والأدوات التي تجعل التكنولوجيا غير مرئية
حقوق الطبع والنشر ©
نانويرك ذ
كن مؤلفًا ضيفًا في Spotlight! انضم إلى مجموعتنا الكبيرة والمتنامية من المساهمين الضيوف. هل نشرت للتو ورقة علمية أو لديك تطورات أخرى مثيرة لمشاركتها مع مجتمع تكنولوجيا النانو؟ إليك كيفية النشر على nanowerk.com.
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=64866.php
