قطرات آب به روشی که هرگز نمی‌دانستیم، در حال تولید برق هستند.
دانشمندان کشف کرده‌اند که حرکت آب بر روی سطوح، شارژ الکتریکی بیشتری از آنچه که قبلاً تصور می‌شد تولید میکند، به ویژه زمانی که آب به سطوح کوچک چسبیده و سپس از روی موانع ریز عبور میکند.
این دانش جدید می‌تواند طراحی سطوح را برای ذخیره سوخت ایمن‌تر، ذخیره‌سازی انرژی بهتر و حتی فناوری‌های شارژ سریع‌تر انقلاب کند.
آب بیشتر از آنچه که انتظار می‌رفت برق تولید میکند
محققان از دانشگاه RMIT و دانشگاه ملبورن کشف کرده‌اند که حرکت آب روی یک سطح می‌تواند شارژ الکتریکی تا ۱۰ برابر قوی‌تر از آنچه که قبلاً تصور می‌شد، تولید کند.تیم تحقیقاتی به رهبری دکتر جو بری، دکتر پیتر شرل و پروفسور آماندا الیس متوجه شدند که زمانی که یک قطره آب با یک برآمدگی یا سطح زبر روی یک سطح برخورد میکند، نیرویی ایجاد می‌شود تا اینکه ناگهان “پرش” کرده یا از روی مانع عبور میکند. این حرکت باعث تولید یک شارژ الکتریکی ماندگار می‌شود – چیزی که قبلاً دانشمندان مشاهده نکرده بودند.
این درک جدید از حرکت “چسبیدن-لغزیدن” آب، درهای جدیدی را برای طراحی سطوحی که الکتروافزایی را کنترل می‌کنند، باز میکند. کاربردهای بالقوه این کشف شامل بهبود ایمنی ذخیره‌سازی سوخت، تقویت ذخیره‌سازی انرژی و افزایش کارایی شارژ است.
قدرت الکتریکی پنهان آب
«اکثر مردم ممکن است مشاهده کنند که آب باران به‌طور نامنظم از پنجره یا شیشه جلو ماشین می‌چکد، اما از این که این حرکت مقدار کمی بار الکتریکی تولید میکند بی‌خبرند»، گفت شرل، که تحقیقاتش در مدرسه علوم دانشگاه RMIT به‌طور ویژه در زمینه جمع‌آوری و استفاده از انرژی محیطی متمرکز است.
«قبلاً، دانشمندان این پدیده را به‌عنوان رویدادی می‌دانستند که وقتی مایع از یک سطح جدا می‌شود، از حالت مرطوب به خشک تبدیل می‌شود.»
«در این تحقیق نشان داده‌ایم که بار الکتریکی می‌تواند زمانی که مایع ابتدا با سطح تماس پیدا میکند، از حالت خشک به مرطوب، ایجاد شود و این بار ۱۰ برابر قوی‌تر از بار الکتریکی هنگام تغییر از مرطوب به خشک است.»
«مهم است که بدانید این بار از بین نمی‌رود. تحقیقات ما دقیقاً مشخص نکرد که این بار کجا قرار دارد، اما به وضوح نشان می‌دهد که در محل تماس ایجاد می‌شود و احتمالاً در داخل قطره حفظ می‌شود همانطور که از روی سطح حرکت میکند.»
بری گفت که یک شوک الکتریکی داخل یک مخزن سوخت با مایعات قابل اشتعال می‌تواند خطرناک باشد، بنابراین تجمع بار روی یک سطح جامد باید پس از حرکت مایع به‌طور ایمن تخلیه شود.
«درک چگونگی و چرایی تولید بار الکتریکی در هنگام حرکت مایعات روی سطوح مهم است، زیرا به‌عنوان بخشی از گذار به انرژی صفر خالص، باید سوخت‌های جدید قابل اشتعال تجدیدپذیر را بپذیریم»، گفت بری، که متخصص دینامیک سیالات از دپارتمان مهندسی شیمی دانشگاه ملبورن است.
«در حال حاضر، با سوخت‌های موجود، تجمع بار با محدود کردن جریان، استفاده از مواد افزودنی یا تدابیر دیگر کاهش می‌یابد، که ممکن است در سوخت‌های جدید موثر نباشد. این دانش می‌تواند به ما کمک کند تا پوشش‌هایی مهندسی کنیم که تجمع بار را در سوخت‌های جدید کاهش دهند.»
یافته‌های انقلابی در اندازه‌گیری بار الکتریکی
شویجیا چن، نویسنده اصلی و دانشجوی دکترای دانشگاه ملبورن، گفت که اولین بار که آب با سطح تماس پیدا کرد، بزرگ‌ترین تغییر در بار الکتریکی ایجاد شد، از ۰ تا ۴.۱ نانوکولن (nC).
بار الکتریکی بین حدود ۳.۲ و ۴.۱ نانوکولن نوسان می‌کرد در حالی که تعامل آب و سطح بین فازهای مرطوب و خشک تغییر می‌کرد.
چن گفت: «برای مقایسه، میزان بار الکتریکی که آب با حرکت روی سطح PTFE ایجاد کرد، بیش از یک میلیون بار کوچکتر از شوک استاتیک است که ممکن است از پریدن فردی در کنار شما روی ترامپولین بگیرید.»
«این مقدار بار ممکن است بی‌اهمیت به نظر برسد، اما این کشف می‌تواند منجر به نوآوری‌هایی شود که می‌توانند بار تولید شده در تعاملات مایعات و سطوح را در انواع کاربردهای دنیای واقعی افزایش یا کاهش دهند.»
آینده برق مبتنی بر آب
تیم تحقیقاتی می‌گوید تاثیر این تحقیق به توسعه فناوری‌های تجاری با شرکای صنعتی آینده بستگی دارد.
محققان قصد دارند پدیده چسبیدن-لغزیدن را با انواع دیگر مایعات و سطوح بررسی کنند.
شرل گفت: «مقدار و نرخ بار در تعاملات دیگر مایعات و مواد سطحی ممکن است برای انواع کاربردهای تجاری بالقوه مهم باشد.»
«ما قصد داریم مطالعه کنیم که چگونه حرکت چسبیدن-لغزیدن می‌تواند بر طراحی ایمنی سیستم‌های انتقال مایعات تاثیر بگذارد، مانند آن‌هایی که برای ذخیره‌سازی و حمل آمونیاک و هیدروژن استفاده می‌شوند، همچنین روش‌هایی برای بازیابی برق و تسریع فرآیند شارژ از حرکت مایعات در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی.»
تفلون و آب: ترکیب شگفت‌انگیز
تیم تحقیقاتی این اثر بار الکتریکی را با آب و ماده مورد استفاده در تفلون، یعنی پلی‌تترافلورواتیلن (PTFE)، در این مطالعه که در مجله Physical Review Letters منتشر شده، مورد بررسی قرار داد.
تفلون نوعی پلاستیک است که معمولاً در لوله‌ها و سایر مواد انتقال مایعات استفاده می‌شود، اما الکتریسیته را هدایت نمی‌کند، به این معنی که بار تولید شده نمی‌تواند به‌طور ایمن یا آسان تخلیه شود.
چگونه تیم بار الکتریکی آب را اندازه‌گیری کرد
تیم تحقیقاتی بار الکتریکی و نواحی تماس ایجاد شده توسط قطرات آب را که روی یک صفحه صاف تفلون پخش و منقبض می‌شوند اندازه‌گیری کردند – که عملاً حرکت قطرات روی سطح را شبیه‌سازی میکند.
تیم از یک دوربین تخصصی برای ضبط فریم‌های فردی قطرات که به سطح می‌چسبند و از آن می‌لغزند استفاده کرد، در حالی که تغییر در بار الکتریکی به‌طور هم‌زمان اندازه‌گیری می‌شد.
بری گفت: «ما خوش‌شانس بودیم که سه دانشجوی فوق‌لیسانس شیمی شگفت‌انگیز به ما کمک کردند تا آزمایش‌ها را راه‌اندازی کنیم و اجرا کنیم، که این کار بخشی از دوره‌شان در دانشگاه ملبورن بود.»
یافته‌های انقلابی در اندازه‌گیری بار الکتریکی
شویجیا چن، نویسنده اصلی و دانشجوی دکترای دانشگاه ملبورن، گفت که اولین بار که آب با سطح تماس پیدا کرد، بزرگ‌ترین تغییر در بار الکتریکی ایجاد شد، از ۰ تا ۴.۱ نانوکولن (nC).
بار الکتریکی بین حدود ۳.۲ و ۴.۱ نانوکولن نوسان می‌کرد در حالی که تعامل آب و سطح بین فازهای مرطوب و خشک تغییر می‌کرد.
چن گفت: «برای مقایسه، میزان بار الکتریکی که آب با حرکت روی سطح PTFE ایجاد کرد، بیش از یک میلیون بار کوچکتر از شوک استاتیک است که ممکن است از پریدن فردی در کنار شما روی ترامپولین بگیرید.»
«این مقدار بار ممکن است بی‌اهمیت به نظر برسد، اما این کشف می‌تواند منجر به نوآوری‌هایی شود که می‌توانند بار تولید شده در تعاملات مایعات و سطوح را در انواع کاربردهای دنیای واقعی افزایش یا کاهش دهند.»
آینده برق مبتنی بر آب
تیم تحقیقاتی می‌گوید تاثیر این تحقیق به توسعه فناوری‌های تجاری با شرکای صنعتی آینده بستگی دارد.
محققان قصد دارند پدیده چسبیدن-لغزیدن را با انواع دیگر مایعات و سطوح بررسی کنند.
شرل گفت: «مقدار و نرخ بار در تعاملات دیگر مایعات و مواد سطحی ممکن است برای انواع کاربردهای تجاری بالقوه مهم باشد.»
«ما قصد داریم مطالعه کنیم که چگونه حرکت چسبیدن-لغزیدن می‌تواند بر طراحی ایمنی سیستم‌های انتقال مایعات تاثیر بگذارد، مانند آن‌هایی که برای ذخیره‌سازی و حمل آمونیاک و هیدروژن استفاده می‌شوند، همچنین روش‌هایی برای بازیابی برق و تسریع فرآیند شارژ از حرکت مایعات در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی.»
نظرات کاربران