بخشی از مقاله
چکیده
پیشرفتهاي اخیر در فیزیک و تکنولوژي هاي مهندسی، ساخت تراشه، منبع تغذیه مبتنی بر نانوژنراتور و ... را در مقیاس نانو ممکن ساخته است. مخابرات نانو ابزارهایی با ابعاد چند نانومتر مکعب بوده که قادر به ارتباط با ابزارهاي مختلف نانوسنسوري است. یکی از مهمترین چالش ها در مخابرات نانو منبع تغذیه ي انها است، زیرا به دلیل اندازه ي بسیار کوچک ان، توان خروجی بالاتري جهت تامین انرژي مورد نیاز است.
در این مقاله تریبوالکتریک نانوژنراتوري را جهت منبع تغذیه ي مخابرات نانو مبتنی بر ارتباطات الکترومغناطیس پیشنهاد داده ایم، که مزیت آن نسبت به دیگر نانوژنراتورها از جمله پیزوالکتریک نانوژنراتور، توان خروجی بالاتر و ابعاد بزرگتر جهت تامین انرژي مجموعه اي از مخابرات نانو است. جهت ارزیابی توان خروجی تریبوالکتریک نانوژنراتور، معادلات تئوریکی را در نرم افزار متلب شبیه سازي کرده و مقایسه اي بین دو نانوژنراتور از نظر توان خروجی انجام داده ایم. نتایجی که در نهایت به دست آمده اند مشخص می کنند که تریبوالکتریک نانوژنراتور پیشنهادي توان خروجی بالاتري نسبت به پیزوالکتریک نانوژنراتور دارد.
واژگان کلیدي : تریبوالکتریک نانوژنراتور، پیزوالکتریک نانوژنراتور، مخابرات نانو
مقدمه
با بحران گرم شدن کره زمین و بحران انرژي، جستجو براي کشف منابع انرژي تجدیدپذیر به یکی از چالش هاي جدي براي توسعه پایدار تمدن بشري است. در دهه هاي گذشته، تلاش هاي تحقیقاتی، بیشتر براي دستیابی به منابع انرژي پاك و تجدید پذیر و همچنین توسعه تکنولوژي هاي انرژي تجدید پذیر صورت گرفته است.یکی از مهمترین تکنولوژي ها در عصر جدید، توسعه ي فناوري هاي نانو است.امروزه، فناوري نانو، توسعه ي سیستم هاي مختلف را در مقایس هاي بسیار ریز فراهم می کند.در این مقیاس، نانومواد و نانوذرات خواص و رفتارهاي جدیدي را که قبلا مشاهده نشده است، نشان میدهند. هدف از فناوري نانو، ایجاد نانوذراتی با ویژگیهاي منحصر بفرد است .
حرکت و تنش مکانیکی در محیط زیست و در زندگی روزمره ي مردم به صورت گسترده وجود دارد. بهرهمندي از انرژي هاي تجدیدپذیر محیطی جهت تأمین انرژي مورد نیاز سیستم هاي میکرو و نانو، راهحلی ممکن و البته مناسب است. در سال 2006 براي اولین بار واژهي نانو ژنراتوردرعلوم نانوتکنولوژي، توسط پروفسور وانگ و سانگ، براي تأمین انرژي سیستم هاي به خصوص به کار گرفته شد. جایی که نانوژنراتورها با بهرهگیري از انرژي محیطی و زیستی، قادر به تأمین انرژي این نوع سیستم ها - میکرو و نانو - می باشد.
نانوژنراتورها قادر هستند انرژي مکانیکی را به انرژي الکتریکی تبدیل کنند.نانوژنراتور ها عمدتا به چهار بخش پیزوالکتریک نانوژنراتور، تریبوالکتریک نانوژنراتور ،پایروالکتریک نانوژنراتور و فلکسوالکتریک نانوژنراتور طبقه بندي می شوند که پیزوالکتریک و تریبوالکتریک نانوژنراتور به عنوان مهمترین نانوژنراتورها جهت تامین سیستم هاي ریز مقیاس مورد استفاده قرار می گیرند. در ساختار ارائه شده براي پیزوالکتریک نانوژنراتور از نانوذرات زینک اکسید، که یک مادهي پیزوالکتریک است، به شکل نانوسیم استفاده شده است.
این نانوسیم ها به صورت عمودي رشد داده می-شوند و بار الکتریکی ایجاد شده در آنها در اثر خمش، اغلب توسط نوك میکروسکوپ نیروي اتمی جمعآوري می شود. در سال 2012، تریبوالکتریک نانوژنراتور، به عنوان وسیلهاي براي استحصال انرژي مکانیکی مبتنی بر اثر تریبوالکتریک و القاي الکترواستاتیک ابداع شد.تریبوالکتریک نانوژنراتورها داراي دو صفحه با خاصیت تریبوالکتریکی متفاوتی هستند که دو الکترود به منظور ایجاد القاي الکترواستاتیک بر روي هر یک از صفحات تریبوالکتریک قرار داده شده است.
جنس صفحات تریبوالکتریک اغلب پلیمر در نظر گرفته می شود.همچنین این صفحات - تریبوالکتریک - به عنوان صفحات دي الکتریک هم نام برده میشوند. نانوژنراتورهاي مبتنی بر تریبوالکتریک از زمان راه اندازي، بیشتر توجهات را به خود جذب کرده اند و همچنین مقرون به صرفه بودن، سادگی و ساختار منحصر به فرد آن ها در مقولهي استحصال انرژي مکانیکی کاملاً اثبات شده است.در حال حاضر چهار عملکرد اساسی براي نانو ژنراتورهاي تریبوالکتریک تعریف شده است که شامل تماس-جدایی در حالت عمودي، حالت کشویی، حالت تک الکترود و حالت صفحات مستقل است .
کاربرد و عملکرد نانوژنراتورها در سیستمهاي نانوماشینی بسیار گسترده است. نانوماشینها تجهیزات و یا ترکیباتی هستندکه به طور طبیعی در سیستم هاي بیولوژیکی مانند سلول ها و ارگان هاي زنده یافت می شوند و یا به صورت مصنوعی توسط بشر و با استفاده از مواد نانو ساخته می شوند. به طور کلی نانو ماشین ها را تجهیزاتی می دانیم که از اجزایی در مقیاس نانو تشکیل شده اندو اگر اختصاصاٌ به نانوحسگر ها که به عنوان یکی از مهمترین سیستم هاي نانوماشینی تلقی می شود اشاره کنیم، قادر به انجام وظایف سبکی چون برقراري ارتباط، محاسبات ساده، سنجش محیط و یا واکنش به رویدادهاي محلی در سطح نانو میباشند.
از طریق ارتباط نانوحسگر ها با یکدیگر و ایجاد شبکه اي از انها می توان وظایف پیچیده تري همچون تحویل دارو به سلول هاي موجود زنده، نظارت بر سلامتی و ... انجام داد. در ابتدا, هیچ نظریه ي واضحی در مورد چگونگی ارتباط میان نانوسنسور ها وجود نداشت. اما در حال حاضر دو شاخهي اصلی براي ارتباط در مقیاس نانو مطرح شده است : مخابرات مولکولی مخابرات الکترومغناطیسی در مقیاس نانو2 مشاهده میکنید، دو روش متفاوت براي ایجاد ارتباط در شبکه هاي نانوسنسوري بیسیم تعریف شده است.در روش اول ،ارتباط میان فرستنده و گیرنده و همچنین انتقال پیام با استفاده از مولکول ها صورت میگیرد - مخابرات مولکولی - . در روش دوم، ارتباط میان فرستنده و گیرنده توسط سیستم هاي مخابرات نانویی و انتقال پیام از طریق امواج الکترومغناطیسی انجام می شود .
یکی از شناختهشدهترین ساختارهاي نانوکربنی، گرافن است. گرافن یک صفحه ي نازك به ضخامت تنها یک اتم کربن می باشد که از کنار هم قرار گرفتن اتم هاي کربن به صورت یک شبکه ي کریستالی لانه زنبوري ، شکل گرفته است. نانولوله هاي کربنی و نانونوار هاي گرافنی دو مورد از مهمترین مشتقات گرافن می باشند.در کل، مجموعه این تراشهها که با یکدیگر در ارتباط هستند، شبکه هاي نانوسنسوري بی سیمی را فراهم می کنند که داراي چندین قسمت مختلف است.
در سال هاي اخیر، نانوژنراتور ها و بالاخص پیزوالکتریک نانوژنراتور به عنوان منبع تغذیه ي اصلی در مخابرات بی سیم نانو مبتنی بر الکترومغناطیس مطرح می شد. با توجه به برخی ویژگی هاي شگفت اور و عجیب مواد کربنی، امروزه برقراري ارتباط از طریق تجهیزات الکترومغناطیسی در مقیاس نانو بیشترین توجهات را به خود جلب کرده است . در این بخش به معرفی نانوژنراتورها پرداختیم. سپس در مورد کاربرد نانوژنراتور ها در نانو ماشین ها توضیحاتی را ارائه دادیم.
در ادامه ي بخش هاي این مقاله، در بخش 2، معادلات تئوریکی تریبوالکتریک نانوژنراتور ها را بررسی خواهیم کرد. سپس در بخش 3، مروري بر تحقیقات پیشین ارائه شده براي منبع تغذیهي مخابرات بیسیم نانو مبتنی بر الکترو مغناطیس خواهیم داشت. پس از ان در بخش 4، به معرفی تریبوالکتریک نانوژنراتور پیشنهادي جهت مخابرات بی سیم نانو می پردازیم و در بخش 5، با مقایسه ي توان خروجی تریبوالکتریک نانوژنراتور پیشنهادي با توان خروجی پیزوالکتریک نانوژنراتور مورد استفاده قرار گرفته شده در مخابرات بی سیم نانو مبتنی بر الکترومغناطیس، به ارزیابی نانوژنراتور پیشنهادي خود خواهیم پرداخت.
معادلات تئوریکی تریبوالکتریک نانوژنراتورها
قاعدهي کارکرد تریبوالکتریک نانوژنراتور بر دو اصل اثر تریبوالکتریک و القاي الکترواستاتیکی استوار است. از آن جا که بیشتر دستگاه هاي مبتنی بر الکترواستاتیک خازن هستند، تریبوالکتریک نانوژنراتورها هم اساساً رفتار خازنی از خود نشان می دهند.براي هر نانوژنراتور تریبوالکتریک، یک جفت ماده با خاصیت هاي متفاوت رودرروي هم قرار دارند. فاصله مابین این دو لایهي تریبو می تواند تحت تأثیر نیروي مکانیکی تغییر کند. بعد از اینکه این دو ماده در تماس با یکدیگر قرار گرفتند، در اثر اصل برق مالشی سطح دو لایه داراي مقدار بار برابر اما مخالف هم میشود.
در کنار لایه هاي تریبو، دو الکترود نیز با دقت بالا بر روي لایه هاي تریبو جاسازي شده است که وجود عایق بین این دو الکترود، انتقال بار بین این دو را فقط از طریق مدار خارجی امکانپذیر می سازد.اگر مقدار بار انتقالی از یک الکترود را Q بنامیم، الکترود اولی داراي بار Q و الکترود دومی داراي بار +Q خواهد شد.به طور کلی در هر تریبوالکتریک نانوژنراتور، اختلاف پتانسیل الکتریکی بین دو الکترود به دو قسمت تقسیم می شود.
قسمت اول مربوط به بارهاي تریبوالکتریکی قطبی شده، و قسمت دوم مربوط به ولتاژ در حالت مدار باز که وابسته به فاصله ي متغیر بین دو پلیمر و یا دي الکتریک است. علاوه بر این، بار Q منتقل شده نیز باعث ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی می شود. اگر فرض کنیم که هیچ بار تریبوالکتریکی در این ساختار وجود ندارد، در واقع این ساختار نشانگر یک خازن معمولی است، بنابراین ولتاژ از رابطهي V Q بدست میآید، که نمایانگر ظرفیت خازنی بین دو الکترود است.
