پژوهشگران دانشگاه “ام.آی.تی” در بررسی جدید خود، حسگری ابداع کردهاند که میتواند به بررسی سطح آرسنیک موجود در خاک بپردازد.
آرسنیک مانند بسیاری از فلزات سنگین میتواند خاک و آبهای زیرزمینی را آلوده کند و این موضوع، تهدیدی برای سلامتی انسان و محیط زیست به شمار میرود. شاید یک حسگر زیستی جدید بتواند با بررسی سطح آرسنیک در محیط زیر زمین، به از بین بردن خطرات این عنصر شیمیایی بسیار سمی کمک کند.
یک پروژه پژوهشی که در سال ۲۰۱۸ انجام شد، نشان داد که چطور میتوان از آرسنیک برای تمیز کردن مجاری آلوده آب استفاده کرد. دانشمندان “مرکز پژوهش و فناوری سنگاپور- امآیتی”(SMART) که از زیرمجموعههای دانشگاه “ام.آی.تی”(MIT) به شمار میرود، یک حسگر زیستی جدید ابداع کردهاند تا با کمک آن از توانایی طبیعی برخی گونههای گیاهی در جذب آرسنیک استفاده کنند. آنها گونههای گیاهی را با حسگرهای نوری نانومقیاس همراه میکنند تا امکان بررسی تراکم عناصر زیر زمین فراهم شود.
این پژوهش که بر تغییرات پویایی درونی بافت گیاه هنگام جذب آرسنیک از خاک تمرکز دارد، آنالیتهایی را که گیاه استخراج میکند و به واسطه سامانه ریشه انتقال میدهد، ارزیابی میکند. نانوحسگرهای نوری که در بافت گیاه قرار میگیرند، با توجه به میزان جذب آرسنیک، تغییراتی را در شدت فلورسنس نشان میدهند. هنگامی که این سیستم با تجهیزات الکترونیکی قابل حمل مانند پلتفرم “رزبری پای”(Raspberry Pi) همراه میشود، امکان بررسی تراکم فلزات سنگین خاک را فراهم میکند.
پژوهشگران برای نشان دادن نحوه استفاده از این فناوری به طوری که محصولات خوراکی آلوده نشوند، آن را برای شناسایی آرسنیک در برنج و اسفناج به کار گرفتند و سپس توجه خود را به گونهای از سرخس موسوم به “سرخس دوپایه”(Pteris cretica) معطوف داشتند که توانایی جذب و تحمل مقدار زیادی آرسنیک را دارد.
“سلیم لو”(Salim Lew)، از پژوهشگران این پروژه گفت: نانوحسگر گیاهی ما نه تنها به این که نخستین نمونه در نوع خود به شمار میرود، بلکه به خاطر مزایای قابل توجه آن نسبت به روشهای معمول بررسی سطح آرسنیک در محیط زیر زمین و نیاز به زمان کمتر، قابل توجه است. ما باور داریم که این نوآوری نهایتا کاربرد گستردهای در صنعت کشاورزی و فراتر از آن خواهد داشت.
این کار، بستری را فراهم کرد تا پژوهشگران، یک فناوری فوقالعاده حساس نسبت به آرسنیک ارائه دهند که میتواند غلظت بسیار پایین فلز را نیز تشخیص دهد. “مایکل استرانو”(Michael Strano)، استاد دانشگاه امآیتی و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: این یک ابداع فوقالعاده هیجانانگیز است زیرا ما برای نخستین بار، یک حسگر نانوبیونیک ساختهایم که میتواند آرسنیک را که تهدیدی جدی برای محیط زیست و سلامت عمومی به شمار میرود، شناسایی کند.
وی افزود: این حسگر جدید به دلیل داشتن مزایای بیشمار نسبت به روشهای قدیمی، میتواند تحولبرانگیز باشد زیرا نه تنها در زمان صرفهجویی میکند، بلکه استفاده از آن نسبت به روشهای دیگر، سادهتر است و دقت بیشتری نیز دارد.
این پژوهش، در مجله “Advanced Materials” به چاپ رسید.
محققان به روش جدیدی دست یافته اند که می تواند ظرفیت تولید انرژی مواد پیزوالکتریک را به طور چشمگیری افزایش داده و به عنوان مثال از راه رفتن انسان ها برق تولید کند.
مواد پیزوالکتریک مدت هاست که وجود دارند، اما تولید انرژی کافی از آنها برای دستگاه های الکترونیکی بزرگ همچنان یک چالش باقی مانده است.
بر اساس مطالعه اخیر منتشر شده در مجله Engineering Reports، محققان روش جدیدی برای ساده سازی تولید برق از پیاده روی در خیابان ایجاد کرده اند.
به طور خاص، استفاده از مفهوم “قطبش درجه بندی شده” به معنی استفاده از انواع مختلف فشارهای مکانیکی بر روی یک ماده پیزوالکتریک، نوید تولید انرژی بیشتری را از آنچه قبلا تصور می شد، داده است.
یکی از ویژگیهای غیرمعمولی که برخی سرامیکها و پلیمرها از خود نشان میدهند، پدیده پیزوالکتریک یا “اثر فشاربرقی” است.
بااعمال نیروی خارجی، دوقطبیهای این سرامیکها تحریک میشوند و میدان الکتریکی ایجاد میشود. وارونه کردن اثر نیرو(مثلاً از کششی به فشاری) جهت میدان را معکوس میکند.
از مواد پیزوالکتریک در مبدلها و وسایلی که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکنند یا برعکس استفاده میشود. کاربردهای نامآشنایی از جمله پیکاپ گرامافون، میکروفونها، مولدهای ماوراء صوت و حسگرهای سونار از خاصیت پیزوالکتریک استفاده میکنند. در پیکاپ گرامافون همچنان که قلم، شیارهای رکورد را میپیماید یک اختلاف فشار به ماده پیزوالکتریک موجود در پیکاپ وارد میشود که نهایتا به سیگنال الکتریکی تبدیل میشود. این سیگنال قبل از ورود به بلندگو تقویت میشود. خاصیت پیزوالکتریک یک ویژگی مواد کریستالی دارای ساختار پیچیده بدون تقارن است. رفتار پیزوالکتریک یک پلیکریستال به وسیله گرم کردن بالاتر از دمای کوری و سپس خنک کردن تا دمای اتاق در مجاورت میدان الکتریکی قوی بهبود مییابد.
اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است. این اثر را برادران کوری، “پیر و ژاک کوری” در دهه ۱۸۸۰ کشف کردند.
موادی که این پدیده را از خود بروز میدهند، مواد پیزوالکتریک نامیده میشوند. اثر پیزوالکتریک در انواع بسیاری از مواد از جمله تک بلورها، سرامیکها، بسپارها و مواد مرکب دیده میشود. تولید اختلاف پتانسیل الکتریکی در برخی بلورهای نارسانا مثل کوارتز تحت کشش یا فشار معکوس هماند و هرچه میزان فشار یا کشش بیشتر باشد، اختلاف پتانسیل تولید شده بیشتر است. اثر پیزوالکتریک معکوس به معنی تغییر شکل آنها بر اثر اعمال اختلاف پتانسیل الکتریکی است. اگر دو وجه روبرویی در هر یک از این بلورها را به اختلاف پتانسیل متناوب الکتریکی وصل کنیم، تغییر شکل متناوبی در آن رخ میدهد و به ارتعاش در میآید.
اکنون این تکنیک جدید می تواند تولید انرژی الکتریکی از راه رفتن را افزایش دهد.
با ادامه تغییرات اقلیمی جهان، خطرات مهمی سلامتی انسان، اکوسیستم ها و اقتصاد دنیا را تهدید می کند. در حالی که بحران شیوع ویروس کرونا به محیط زیست برای بازیابی و نفس کشیدن از دست انسان ها کمک کرد، اما این قرنطینه ها و اعمال محدودیت ها دائمی نیست و این موضوع، روش خوبی برای جلوگیری از تغییرات اقلیمی نیست.
در نتیجه، دانشمندان در سراسر جهان در تلاش هستند تا روش های پاک و کم خطری برای تولید انرژی بیابند.
محققان آرایش جهت قطبش جدیدی را برای مواد پیزوالکتریک پیشنهاد کردند که به منظور افزایش توان خروجی چنین مواد پیشرفته ای طراحی شده است تا در هنگام قرار گرفتن در معرض فشار، انرژی مکانیکی و انرژی الکتریکی را با نرخ بهره وری بالایی به یکدیگر تبدیل کنند.
اکنون محققان موسسه فناوری “مندی” هند در تلاش برای ارائه راه حل های جدید، راهی جدید برای تولید برق از طریق جابجایی انسان -پیاده روی- یافته اند.
از مواد پیزوالکتریک می توان در شرایط مختلف استفاده کرد. به عنوان مثال، اگر به عنوان کاشی های کف نصب شوند، می توانند از طریق راه رفتن انسان، انرژی الکتریکی تولید کنند و این کارکرد در مورد کف جاده ها و وسایل نقلیه نیز وجود دارد، جایی که می توان از انرژی حاصل برای تأمین انرژی چراغ های خیابان و چراغ ها و تابلوهای راهنمایی استفاده کرد.
اگر از این مواد در یک مکان شلوغ استفاده شود، می تواند برای وسایل حتی بزرگتر نیز انرژی کافی تولید کند. اگرچه این به نظر عملی انقلابی می رسد، اما واقعیت ناراحت کننده این است که انرژی تولید شده از این مواد تاکنون بسیار کم بود و کاربردهای واقعی آنها را به استفاده در تجهیزات کم انرژی محدود می کرد.
در واقع مواد پیزوالکتریک تاکنون انرژی بسیار کمی برای کاربردها در دنیای واقعی تولید می کردند، اما تکنیک جدید محققان هندی درهای جدیدی را به سوی کاربردهای واقعی وسیع تر باز کرده است.
“راهول وایش” یکی از محققان ارشد این تحقیق گفت: ما روشی را توسعه داده ایم که به عنوان “قطبش درجه بندی شده” شناخته می شود تا توان تولیدی مواد پیزوالکتریک را بیش از 100 برابر افزایش دهد.
محققان راهی برای تبدیل انواع فشارهای مکانیکی از جمله فشارهای خمشی، عمودی و کششی به انرژی برق پیدا کردند.
پیشرفت های قابل توجهی که از طریق این تکنیک جدید امکان پذیر است، دریچه ای را برای توسعه طرح های پیزوالکتریک در دنیای واقعی باز می کند که از نظر تئوریک قادر به تامین انرژی حمل و نقل شهری در مقیاس جهانی است.
مواد پیزوالکتریک -اگر با موفقیت به طور گسترده استفاده شوند و انرژی کافی تولید کنند- می توانند برنامه های کاربردی بی شماری از جمله شارژ کردن تلفن های هوشمند با راه رفتن انسان داشته باشند.
در حال حاضر، محققان در تلاش هستند تا یافته های خود را بهبود بخشند و پیش بینی دقیق تری در مورد تأثیرات این روش جدید بر روی خواص مکانیکی مواد پیزوالکتریک به دست آورند.
این مطالعه یک اتفاق هیجان انگیز است، اما هنوز خیلی مانده است تا تبدیل به یک واقعیت در دنیای واقعی برای سایر اشکال تولید انرژی در مقیاس بزرگ به شکل رایج و پایدار شود.
منبع: ایسنا