آفاق جديدة للطاقة ( نيتريد البورون )
إن
اكتشاف مصادر جديدة ومتجددة للطاقة كالطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمد والجزر
والمياه وطاقة حرارة الأرض تحسبا ليوم ينضب فيه البترول والغاز الطبيعى والفحم فعن
طريق تطويع طاقة الرياح وسريان المياه فى الأنهار حيث اصبح التقدم التكنولوجى
للطاقة يضاهى حاجة المخلوقات للماء والهواء والغذاء وإن الزيادة المطردة فى الحاجة
للطاقة تطور البشرية منذ استغلال النار وطرق الحصول عليها وقد تم تطويع طاقة
البخار واختراع الألة البخارية التى أدارات المصانع ووسائل النقل واختراع آلة
الاحتراق الداخلى فى السيارات والطائرات والسفن .
ولقد
كان المحرك الأساسى للحصول على الطاقة الوقود الحفرى من فحم وبترول وغاز طبيعى وفى
النصف الأول من ( ق / 20 ) توصل العلم إلى شطر أنوية العناصر الثقيلة كاليورانيوم
والحصول على طاقة الانشطار النووى ( Nuclear Fission ) ثم طاقة الاندماج النووى
( Nuclear Fusion ) من دمج أنوية الهيدروجين لتكوين أنوية الهليوم .
وللطاقة
أشكال متعددة منها ( الحرارية / الكهربائية ) ولسهولة ودقة التحكم فى الطاقة
الكهربية يتم تحويل كل أشكال الطاقة للطاقة الشمسية لذا تستغل الطاقة الشمسية
وطاقة الرياح وطاقة العيون الحارة وطاقة المد والجزر للحصول على الطاقة الكهربية
لجميع الأغراض عدا المصادر التقليدية من مساقط مائية ومحطات حرارية ونووية والطاقة
الأسموزية ( Osmotic Power )
فالفرق
فى الملوحة بين الماء العذب والماء المالح قد يكون مصدرا لطاقة متجددة لكن التكنولوجيا
المتاحة لا تقدم طاقة تستحق المعاناة ومع التطور الكبير الذى حدث فى التكنولوجيا
النانونية
( Nanotechnology ) واكتشاف الخواص الفريدة لمركبات جديدة كنيتريد البورون
( Boron Nitride BN ) حيث تم اكتشاف طريقة جيدة لحصاد الطاقة حيث يولد السريان الأسموزى
خلال أنابيب نانونية من ( نيتريد البورون ) تيارا كهربيا تزيد كفاءته ( 1000 مرة )
فلقد تم تصميم تجريبى مكن العلماء من دراسة السريان الأسموزى لمائع خلال أنبوبة
نانونية مفردة .
عندما
يحدث تماس بين مستودع للماء المالح مع مستوى للماء العذب من خلال غشاء من نوع معين
شبه منفذ فإن الظاهرة الإسموزية الناتجة تجعل من الممكن إنتاج الكهرباء من تدرج
الملوحة ويمكن إنجاز ذلك بطريقتين :
1 ) إما
أن يقوم الضغط الاسموزى المختلف بين المستودعين ( المالح والعذب ) بإدارة توربين .
2 ) أو
يقوم الغشاء شبه المنفذ الذى يمرر الماء دون الأملاح بإنتاج تيار كهربى .
وتملك
الطاقة الاسموزية المركزة عند مصبات الأنهار فى جميع أنحاء العالم قدرة نظرية
كامنة تصل إلى ( تيراوات ( 1012 وات ) ) وهو ما يكافىء ( 1000 مفاعل نووى ) لكن
التكنولوجيا المتاحة لحصاد الطاقة غير كافية وتنتج حوالى ( 3 وات ) من كل متر مربع
من الغشاء فعن طريق دراسة ديناميكية الموائع المحبوسة فى فراغات نانونية كالأنابيب
النانونية .
وعن
طريق التحفيز من البيولوجيا وبحوث القناة الخلوية فقد تم التوصل لأول قياس فى
العالم للسريان الاسموزى خلال انبوبة نانومترية مفردة حيث كان التصميم المدروس
يتكون من غشاء غير منفذ وعازل كهربى مثقوب بثقب وحيد فقام العلماء بإدخال انبوبة
نانونية من نيتريد البورون باستخدام سن ميكروسكوب نفقى ماسح وكان قطر الانبوبة
الخارجية عدة ( 10 من النانومترات )
حيث تم
غمر قطبين على جانبى الانبوبة النانونية حتى يتمكن العلماء من قياس التيار الكهربى
الذى يمر خلال الغشاء وباستخدام الغشاء للفصل بين مستودع المياه المالحة ومستودع
المياه العذبة تمكن العلماء من توليد تيار كهربى مهول خلال الانبوبة النانونية
والمثار من الشحنة السطحية الشديدة السالبة التى تميز الأنابيب النانونية المصنوعة
من نيتريد البورون وهى تجذب إليها الكاتيونات ( الأيونات الموجبة ) الموجودة فى
المياه المالحة حيث كانت شدة التيار المارخلال الانبوبة النانونية فى حدود ( 1
نانوأمبير ) أكثر ( 1000 مرة ) من إنتاجية التكنولوجيات التى تتناول الطاقة
الاسموزية .
فتزود
الأنابيب النانونية المصنوعة من ( نيتريد البورون ) بحل عالى الكفاءة لتحويل طاقة
التدرج فى الملوحة مباشرة لطاقة كهربية واستغلال النتائج على مستوى أكبر يعطى ( KW – m2 4 )
من
الأنابيب النانونية من ( نيتريد البورون ) ولها القدرة على توليد حتى ( 30 ميجاوات
/ س ) فى السنة وإن الخطوة التالية تتمثل فى إجراء دراسات بحثية لإنتاج أغشية
مصنوعة من أنابيب نانونية من ( نيتريد البورون ) واختبار أنابيب نانونية من مواد
مختلفة .
إن
الصيغة الكيميائية ل ( نيتريد البورون / BN
) ويوجد المركب فى عدة أشكال بلورية لأنه متماثل الكترونيا مع الكربون الذى له
البنية نفسها فالشكل السداسى ل ( نيتريد البورون ) يقابل الجرافيت وهو الأكثر
ثباتا ولينا بين أشكال ( BN ) التأصلية فهو يستخدم كمشحم وكإضافة
لمنتجات التجميل أما الشكل المكعب فيقابل الماس ( c – BN
) ولا تقل صلابة عن الصورة العادية إلا عن الماس لكن عند تحضيره ببنية نانونية
يسود فيها الازدواج الدقيق بسمك متوسط ( 3.8 ) نانومتر فإن صلابته تتفوق على الماس
الصناعى و ( نيتريد البورون / BN ) أكثر ثباتا حراريا وكيميائيا من الماس ولا
يوجد ( نيتريد البورون ) فى الطبيعة لكنه ينتج صناعيا فى المعمل من حمض البوريك أو
من ثالث أكسيد البورون .
ولا يعد
( نيتريد البورون ) بآفاق جديدة للطاقة لكنه يفتح مجالا هائلا أمام تطوير
الالكترونيات النانونية فعن طريق إمكانية تنسيق موصل ( جرافين ) وعازل ( نيتريد
البورون السداسى ) فى هجين منهما ثنائى الأبعاد ( 2 – D
) فى طبقة سمكها ذرة واحدة مما يمثل خطوة مهمة على طريق تخليق إلكترونيات فى بعدين
( مسطحة ) فعن طريق غرز مواد متماثلة تماما فى بنيتها
وقد
حازت الفكرة اهتماما كبيرا من العلماء والباحثين بآفاق واحتمالات بناء دوائر
ثنائية الأبعاد بسمك ذرة واحدة فقد نجح العلماء فى تكوين طبقة وحيدة الذرة غير
متجانسة البنية بواسطة خطة نمو متسلسل .
وعن
طريق إمكانية تقليص التصميمات الإلكترونية لأحجام شديدة الصغر فبينما حددت
تكنولوجيا حدود مقدرة الفصل ب ( 100 نانومتر ) وإن الحدود الحقيقية هى المحددة
بالتكنولوجيات الليثوجرافية ( الطباعة الحجرية ) على أن يكون من الممكن إنجاز
تصميم فعال لدوائر بمقاييس
( 30 بل
وحتى 20 نانومتر ) فى العرض ولكنها فى بعدين اثنين ( 2 – D
) وسيؤدى لإنجاز دوائر بنفس المقاييس من أشباه الموصلات .
وإن
الجرافين منذ اكتشافه أنه مادة عجيبه وحتى بسمك ذرة فإن النسق السداسى لذرات
الكربون قد أثبتت مقدرته الكامنة كمادة إلكترونية رائعة لكن بناء تصميم فعال من
موصل وحده لن يقوم بالعمل وتتطلب الإلكترونيات المبنية على الجرافين مواد مماثلة
تتوافق معه فى بعدين ( 2 –
D )
وإن (
نيتريد البورون السداسى / h
– BN ) يعمل
كعازل رائع وأظهرت صور الميكروسكوب الإلكترونى النافذ الماسح التركيب السداسى ل (
نيتريد البورون ) فى الهجين ثنائى الأبعاد مع الجرافين .
ويشبه (
h – BN ) الجرافين بنفس التجمع الذرى وأظهرت
الدراسات أن مزج الجرافين و
( h – BN ) بواسطة الترسيب الكيميائى للبخار بحيث يكون أغشية متجمعة من
المادتين فعن طريق تقدم بعض التحكم فى الخواص الإلكترونية للمادة .
إن مجال
المواد ذات البعدين نموا كبيرا أبعد من الجرافين وسيلعب دورا كمواد حاكمة ومثيرة
فى المستقبل فإن القيام بزرع الجرافين فى الفراغات التى تكونت فى غشاء ( h – BN ) فعن طريق استخدام مقياس ميكروسكوبى فتم طباعة أمشاط وقضبان
وحلقات متحدة المركز بنفس التكنولوجيا .
وقد
أظهرت الصور أن الحد الفاصل بين العناصر يبدو حادا واضحا كالموس بين الجرافين و
نيتريد البورون السداسى كخط سمكه أقل من ( 1 نانومتر ) .
وإن
الغشاء مهندس بدقة فائقة حيث يمكن التحكم فى أحجام المجال وأشكاله وهما الخاصيتان
الضروريتان للتصميمات الإلكترونية حيث بدأت التكنولوجيا الجديدة بالترسيب
الكيميائى للبخار فقد رسب غشاء من ( h – BN
) ثم تم تقطيع أقنعة مقاومة للضوء بواسطة أشعة الليزر فقد وضعت الأقنعة فوق غشاء (
h – BN ) وتم كشط المادة المعرضة للضوء بواسطة غاز
الأرجون
(
منظومة شعاع أيونى مركز ) وإن درجة فصل ( 100 نانومتر ) وبعد إزالة الأقنعة جرت
عملية تنمية الجرافين بواسطة الترسيب الكيميائى للبخار فى الفراغات المفتوحة حيث
التحمت مع
( h – BN ) بحيث يمكن التقاط الطبقة المهجنة المتكونة ووضعها فوق ركيزة مناسبة
وحيث إن الجرافين موصل و
BNعازل فإن المادة تمتلك خواص كهربية متفردة
وهى فى بعدين .
ولا
يزال هناك الكثير لإنجازه فى المستقبل حول الأربطة الذرية فى مواقع التقاء
الجرافين و BN
لتحليل
العيوب المحتملة على طول الحدود الفاصلة حيث أثبتت القياسات الكهربية أن جودة
المكونات تظل صالحة فعن طريق إجراء عمليات النمو والكشط ثم إعادة النمو فإن الخواص
الذاتية
الداخلية
للمادتين لا تتأثر فالعوازل تظل عوازل لا يدممها الكربون كما يظل الجرافين فى حالة
جيدة وعن طريق وضع عنصر ثالث شبه موصل فى نسيج ( 2 – D
) فعن طريق التكامل فى المنصة المكونة من المادتين ستتمكن البشرية من بناء تصميمات
متكاملة بذاتها حيث يقدم خيارات جديدة فى عالم الإلكترونيات المرنة والقوية بأبعاد
على حدود الممكن .
فتح الله الشيخ
تنقيح أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف
مجلة
العلم المصرية
التاريخ : أسامة ممدوح عبد الرازق مصطفى شرف
التاريخ : 21 / 8 / 2015
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق