در طی یک تصادف خوشحال کننده محققان ماده الکترونیکی جدیدی را شناسایی کرده‌اند. که می‌تواند رویاهای علمی که در حال حاظر یه فرض خیالی هستند را به واقعیت تبدیل کند. آنچه که در گذشته رویای بسیاری از افراد بود امروزه به لطف محققان موسسه فناوری Technion به زودی به واقعیت تبدیل می‌شود. و افراد به راحتی می‌توانند از وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده استفاده کنند.
موبایلی با صفحه نمایش ترک خورده
تصور کنید به جای این که بعد از افتادن گوشی و ترک خوردن صفحه تلفن همراه مجبور به پرداخت هزینه سنگینی شوید اما با روی کار آمدن وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده گوشی شما به سادگی می‌تواند خودش را تعمیر کند. کاربرد وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده بسیار گسترده است از ربات‌های بادوام‌تر گرفته تا ماهواره‌های خود تعمیر شونده.
دانشمندان موسسه فناوری Technion
به لطف دانشمندان موسسه فناوری Technion که نیمه هادی نانو کریستال سازگار با محیط زیست را با قابلیت خود ترمیم ساختند. یافته‌هایی که در Advanced Functional Materials منتشر شده است، فرآیندی را توصیف میکند که در آن گروهی از مواد به نام پروسکایت‌های مضاعف پس از آسیب دیدگی در اثر تابش پرتو الکترونی خاصیت خود ترمیم شوندگی را از خود نشان می‌دهند.
پروسکایتها اولین بار در چه سالی کشف شدند؟
پروسکایتها که برای اولین بار در سال 1839 کشف شدند، اخیرا به دلیل ویژگیهای الکترواپتیکی منحصربهفرد مورد توجه دانشمندان قرار گرفتهاند. که علی‌رغم تولید ارزان، در تبدیل انرژی بسیار کارآمد هستند. تلاش ویژه‌ای برای استفاده از پروسکایت‌های مبتنی بر سرب در سلول‌های خورشیدی بسیار کارآمد انجام شده است.
هدف گروه تحقیقاتی Technion
گروه تحقیقاتی Technion از پروفسور Yehonadav Bekenstein از دانشکده علوم و مهندسی مواد و موسسه حالت جامد در Technion در جستجوی جایگزین‌های سبز برای سرب سمی و پروسکایت‌های بدون سرب مهندسی هستند. این تیم در سنتز کریستال‌های نانو مقیاس مواد جدید تخصص دارد. با کنترل ترکیب، شکل و اندازه کریستالها، خواص فیزیکی مواد را تغییر می‌دهند.
نانو کریستال چیست؟
نانو کریستالها کوچکترین ذراتی هستند که به طور طبیعی پایدار میمانند. به دلیل اندازه کوچکی که دارند رویکردهای تحقیقاتی را امکان پذیر میکند که انجام این تحقیقات با بلورهای بزرگتر غیر ممکن است. مانند تصویر برداری با استفاده از میکروسکوپ الکترونی برای مشاهده نحوه حرکت اتم‌ها در مواد. این در واقع روشی بود که امکان کشف خود ترمیم در پروسکات‌های بدون سرب را فراهم کرد.
توضیحات بکنشتاین درباره پروسکایت
بکنشتاین Yehonadav Bekenstein در ایمیلی گفت: پروسکایت‌های متال هالید به آب بسیار حساس هستند و تجزیه می‌شوند و سرب سمی را در خاک یا آب آشامیدنی آزاد می‌کنند. بنابراین اتحادیه اروپا استفاده از چنین دستگاه هایی را محدود کرده است.
بکنشتاین Yehonadav Bekenstein توضیح داد: در حالی که ما در حال بررسی ساختار نانو بلورهای پروسکایت دوگانه با استفاده از میکروسکوپ TEM بودیم، وقتی دیدیم نقص‌های خالی (حفره‌ها) در داخل ذرات شکل گرفته و در حال حرکت هستند، شگفت‌زده شدیم.
اگرچه این پدیده جدید نیست و در بسیاری از مواد رخ می‌دهد، اما حفره‌ها معمولا حرکت نمی‌کنند. ما شیفته پویایی هیجان انگیز ارائه شده توسط این خلاها شدیم و تصمیم گرفتیم آن را بیشتر بررسی کنیم. این اتفاق بسیار خوشحال کننده بود.
نحوه تولید نانو ذرات پروسکایت
نانو ذرات پروسکایت در آزمایشگاه پروفسور بکنشتاین با استفاده از یک فرآیند کوتاه و ساده که شامل حرارت دادن مواد تا 100 درجه سانتیگراد برای چند دقیقه است، تولید شد. زمانی که Ph.D. دانش‌آموزان ساشا خلفین و نوام وبر با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبور ذرات را بررسی کردند. این پدیده هیجان انگیز کشف شد.
پرتو الکترونی ولتاژ بالا که توسط این نوع میکروسکوپ استفاده می‌شود باعث ایجاد گسل‌ها و سوراخ‌هایی در نانو کریستالها می‌شود. سپس محققان توانستند چگونگی تعامل این حفره‌ها با مواد اطرافشان و حرکت و تغییر شکل درون آن را کشف کنند.
آن‌ها دیدند که سوراخ‌ها آزادانه در داخل نانو بلور حرکت می‌کنند، اما از لبه‌های آن اجتناب کردند. محققان کدی را توسعه دادند که ده‌ها ویدئوی ساخته شده با میکروسکوپ الکترونی را برای درک دینامیک حرکت درون کریستال تجزیه و تحلیل می‌کرد. آن‌ها دریافتند که حفره‌هایی روی سطح نانو ذرات ایجاد می‌شوند و سپس به مناطقی به انرژی پایدار منتقل می‌شوند.
فرض بر این بود که دلیل حرکت سوراخ‌ها به سمت داخل، مولکول‌های آلی پوشش دهنده سطح نانو بلورها است. هنگامی که این مولکول‌های آلی حذف شدند، گروه متوجه شد که کریستال به طور خود به خود سوراخ‌ها را به سطح و بیرون پرتاب میکند و به ساختار بکر اولیه خود باز می‌گردد، به عبارت دیگر، پوسته خودش را ترمیم میکند.
این کشف گام مهمی در جهت درک فرآیندهایی است که نانو ذرات پروسکایت را قادر می‌سازد تا خود را التیام دهند و راه را برای ادغام آن‌ها در پنل‌های خورشیدی و سایر دستگاه‌های الکترونیکی هموار میکند.
نحوه ایجاد ماده الکترونیکی خود تعمیر شونده
ماده الهام گرفته شده از ولورین با ترکیب یک پلیمر قطبی و کشش پذیر با نمک یونی ایجاد می‌شود. این ماده می‌تواند تا 50 برابر اندازه خود کشیده شود و به طور خودکار خود را در عرض 24 ساعت دوباره ترمیم کند. ویژگیهای برتر این پلیمر خود ترمیم شونده بر اساس برهمکنش (یون-دوقطبی) است که به ماده توانایی ترمیم خود را پس از شکستن یا خراشیدگی می‌دهد.
عکس‌های فوری TEM که تشکیل و انتشار نقص را ثبت میکند
در زیر میکروسکوپ، حفره‌هایی که در پروسکایت مضاعف تشکیل می‌شوند، جایی که کاتیون‌های Ag+ و In3+ جایگزین Pb2+ می‌شوند، مشاهده شد که در داخل کریستال حرکت می‌کنند، ابتدا روی سطح شکل می‌گیرند و سپس به سمت داخل حرکت می‌کنند و به سمت مکان‌های انرژی پایدارتر حرکت می‌کنند.
دانشمندان متوجه شدند که ساختار سطحی نانو بلورها نقش مهمی در پویایی این حفره‌ها پس از شکل گیری آن‌ها ایفا میکند. آن‌ها فرض می‌کنند که درونی سازی در نتیجه مولکول‌های آلی رخ می‌دهد که سطح نانوبلورها را می‌پوشانند.
بکنشتاین Yehonadav Bekensteinمی‌گوید: ما متوجه شدیم که می‌توانیم این اثر را مهندسی کنیم و حتی با تغییر انرژی سطحی کریستال آن را معکوس کنیم. در نانوکریستال‌ها، به مولکول‌های آلی مربوط می‌شود که سطح آن‌ها را می‌پوشاند. ما برخی از آن مولکول‌ها را حذف کردیم و خواص خود درمانی کریستال‌های پروسکایت مضاعف را دیدیم.
هنگامی که آن‌ها مولکول‌های آلی را حذف کردند، به جای حرکت دادن سوراخ‌ها در داخل، کریستالها به طور خود به خود آن‌ها را بیرون ریختند. و به ساختار اولیه خود بازگشتند و در اصل خود را ترمیم کردند – اگرچه این به مرور زمان منجر به تخریب ساختاری می‌شود.
بکنشتاین Yehonadav Bekenstein می‌گوید: این مطالعه گام مهمی در جهت درک فرآیندهایی است که نانوذرات پروسکایت را قادر می‌سازد تا خود را بهبود بخشند و راه را برای ادغام آن‌ها در پنل‌های خورشیدی بادوام‌تر و پایدارتر، دستگاه‌های الکترونیکی و موارد دیگر هموار میکند.
بکنشتاین گفت: راه درازی برای کامل کردن وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده در پیش است. و تنظیمات زیادی برای به دست آوردن توانایی تولید آن‌ها در مقیاس صنعتی وجود دارد. برای ایجاد تفاوت، باید همان اثر را روی کریستال‌های بزرگتر و لایه‌های ماکروسکوپی نشان داد. این گام مهم بعدی است.
دستور العمل‌های آینده برای استفاده از وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده
در حالی که در سال‌های اخیر پیشرفت‌های فوق العاده‌ای صورت گرفته است. فرصت‌های هیجان انگیزی برای پیشرفت‌های بیشتر در توسعه سیستم‌های مواد مقاوم در برابر آسیب وجود دارد. که از عملکردهای ساختاری، الکترونیکی و روباتیک از نظر مکانیکی قوی پشتیبانی می‌کنند.
این سیستم‌ها شامل موادی با “هوش تجسم یافته” هستند که قادر به تشخیص آسیب، گزارش رویداد، بهبود یا تنظیم خواص و هندسه مواد برای کاهش آسیب برای جلوگیری از شکست یا آسیب‌های آینده و ایجاد وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده هستند.
پاسخ مواد هوشمند همچنین می‌تواند از طریق سازگاری سیستم انجام شود. جایی که نواحی آسیب ندیده از مواد می‌توانند برای انتقال عملکرد مکانیکی یا الکتریکی به مناطق آسیب دیده پیکربندی مجدد شوند.
در نهایت، مکانیسم‌های تحریک و قدرت باید در نظر گرفته شوند. جایی که عملکرد الکتریکی با ولتاژ پایین می‌تواند مزایایی نسبت به سیستم‌های حرارتی، فوتونیکی، پنوماتیکی یا هیدرولیک از نظر جرم، مصرف انرژی، سرعت پاسخ‌دهی و قابلیت برنامه‌ریزی سخت‌افزار پشتیبان را داشته باشد.
پیشرفت‌ها در این زمینه‌ها می‌تواند مزایای قابل توجهی برای استحکام و تحمل آسیب فناوری‌های متنوع را فراهم کند. و نسل‌های جدیدی از الکترونیک و رباتیک سازگار با انسان را برای کاربردهای مختلف از مراقبت‌های بهداشتی و محاسبات تا عملکرد تقویت‌شده و رابط‌های انسان و ماشین را قادر می‌سازد.
نتیجه گیری
دستگاه‌های الکترونیکی ساخت بشر در طول زمان به دلیل خستگی، خوردگی یا آسیب‌های وارده در حین کار تخریب می‌شوند و منجر به خرابی دستگاه می‌شوند. شیمی خود ترمیم کننده در سال‌های اخیر به عنوان یک روش امیدوارکننده برای ساخت مواد الکترونیکی نرم که از نظر مکانیکی مقاوم هستند و می‌توانند خود ترمیم شوند، ظهور کرده است.
نانو مواد خود ترمیم شونده قابل استفاده در پنل‌های خورشیدی و سایر دستگاه‌های الکترونیکی در Technion در حال بررسی هستند. با روی کار آمدن وسایل الکترونیکی خود تعمیر شونده دیگر نگرانی برای هزینه‌های تعمیر وجود ندارد.
گوشی‌های هوشمند تنها اپلیکیشن کاربردی در برنامه آن‌ها نیست. بلکه محققان و دانشمندان سعی دارند راه حل‌هایی را برای طیف وسیعی از وسایل الکترونیکی به ارمغان بیاورند. به عنوان مثال می‌توان از آن برای ساخت ربات‌های خود ترمیم شونده، افزایش طول عمر باتری‌ها و بهبود حسگرهای زیستی استفاده کرد.
