تحولی بنیادین در حوزه الکترونیک؛

تکامل عناصر اتمی تک لایه ای و جابجایی مرزهای دانش/ سیگنال هایی که به جریان الکتریسیته ‏تبدیل می گردند+ فیلم‏

جهانی را تصور کنید که در آن گوشی های هوشمند، لپ تاپ ها، لوازم جانبی الکترونیکی بدون نیاز ‏به باطری کار کنند، ساختاری متشکل از عناصر منعطف و ارزان قیمت که می تواند در حوزه های وسیعی مانند ‏الکترونیک، تجهیزات پزشکی و صنایع وابسته مورد استفاده قرار گیرد.‏

به گزارش خبرگزاری علم و فناوری به نقل از ساینس دیلی (sciencedaily)، محققین دانشگاه ام آی تی (MIT)، برای اولین بار موفق گردیدند که اولین و کاملترین ساختار بدون نیاز به باطری را که نوعی آنتن یکسو کننده یا رکتنا (rectenna) می باشد را طراحی نمایند که قادر است سیگنال های شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi) را به جریان الکتریسیته تبدیل نماید.

این ساختار یکسو کننده جریان، امواج الکترومغناطیس جریان متناوب (AC) را جریان الکتریسیته مستقیم (DC) تبدیل می نماید.

محققین این دانشگاه، در مقاله اخیر خود که در مجله علمی و بین المللی نیچر (nature) به چاپ رسیده است، نسل جدیدی از آنتن های یکسو کننده را معرفی نمودند که با استفاده از یک آنتن فرکانس رادیویی منعطف (RF)، امواج الکترومغناطیس را ضبط می نماید، لازم بذکر است که سیگنال های شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi) نیز بعنوان امواج الکترومغناطیس دارای شکل متناوب، در این دسته طبقه بندی می گردند.

این آنتن به ساختار نانوسیمی و کوانتومی ساخته شده از نیمه هادی از عناصر اتمی تک لایه ای متشکل از چند اتم متصل گردیده است.

سیگنال الکترومغناطیس جریان متناوب (AC) به نیمه هادی هدایت می گردد، و نیمه هادی، آن را به ولتاژ جریان الکتریسیته مستقیم (DC) تبدیل می کند که می تواند برای شارژ باطری و تغذیه مدارهای الکترونیکی استفاده گردد.

به این ترتیب، این ساختار منحصربفرد، بدون هیچگونه مانعی، سیگنال های شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi) را گرفته و آنها را به جریان الکتریسیته مستقیم (DC) تبدیل می نماید.

علاوه بر این، این ساختار، بسیار منعطف بوده و می تواند با استفاده از روش فرآیندی الکترونیکی و چرخشی  (roll-to-roll process) بمنظور پوشش سطوح بسیار بزرگ استفاده گردد.

توماس پالاسیوس (Tomás Palacios) نویسنده این مقاله و استاد دانشکده مهندسی برق و علوم کامپیوتر و مدیر مرکز آزمایشگاهی تکنولوژی میکرو سیستم های دانشگاه ام آی تی (MIT/MTL Center) در زمینه ساختار متشکل از اتم های کربن پیوندی و سیستم های اتمی تک لایه ای اذعان داشت: تصور کنید اگر بتوانیم سیستم های الکترونیکی را توسعه دهیم، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

ما تمام پل ها، بزرگراه ها و حتی دیوارهای دفاترمان و هرچیزی که در اطرافمان وجود دارد را با این سیستم هوشمند الکترونیکی خواهیم پوشاند.

اما سوال اینجاست که، چگونه خواهیم توانست انرژی مورد نیاز برای فعالیت این سیستم های الکترونیکی را تأمین نماییم؟

وی افزود: ما با دریافت و استفاده از انرژی سیگنال های شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi) بصورت یکپارچه و در مناطق گسترده، خواهیم توانست در آینده ای نزدیک، راه جدیدی را بمنظور تأمین انرژی سیستم های الکترونیکی هوشمند موجود در اطرافمان بگشاییم.

به عنوان مثال تصور نمایید که تلفن های هوشمند دارای قابلیت انعطاف پذیری، می توانند بازار داغ جدید را برای شرکت های فن آور بزرگ ایجاد نمایند. این ساخته دست محققان می تواند با دریافت درحدود 150 میکرووات (microwatt) انرژی از سیگنال های معمولی شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi)، حدود 40 میکرووات (microwatt) انرژی الکتریسیته تولید نماید و این مقدار، بیش از انرژی و قدرت لازم و کافی بمنظور روشن نمودن صفحه نمایش یک تلفن همراه و یا یک تراشه سیلیکونی (silicon chips) می باشد.

جسیس گراجال (Jesús Grajal)، یکی از محققین دانشگاه فنی مادرید (Technical University of Madrid)، اذعان نمود: یکی دیگر از کاربردهای این ساختار، تولید انرژی بمنظور برنامه ریزی اطلاعات و عملکرد دستگاه های پزشکی جایگزین بافت های زنده (implantable medical devices) می باشد.

به عنوان مثال، محققین توسعه قطعات قرصی شکل مخصوصی را آغاز نمودند که بیماران می توانند آنها را مصرف نموده و بعد از آن اطلاعات و داده های مربوط به وضعیت سلامت آنها، بمنظور تشخیص بیشتر به کامپیوتر باز می گردد.

گراجال (Grajal) افزود: مطمیناً شما نمی خواهید از باطری هایی استفاده کنید که نشت لیتیوم (lithium) موجود در آنها باعث مرگتان شود. بسیار بهتر است که انرژی مورد نیاز این قطعات یه بهتر بگوییم، آزمایشگاه های کوچک قرار گرفته در درون بدن، از محیط زیست تأمین گردد و اطلاعات و داده های استخراج شده توسط آنها بدون کوچکترین آسیبی به شخص به بیرون از بدن و کامپیوتر ها منتقل گردد.

تمام آنتن های یکسو کننده یا رکتنا (rectenna) به جزیی شناخته شده و لاینفک با نام یکسو ساز یا رکتیفایر (rectifier) متکی بوده که این بخش وظیفه تبدیل سیگنال الکترومغناطیس جریان متناوب (AC) ورودی را به جریان الکتریسیته مستقیم (DC) برعهده دارد.

آنتن های یکسو کننده متداول از هر دو عنصر سیلیکون (silicon) و آرسنید گالیوم (gallium arsenide) برای یکسو ساز یا رکتیفایر (rectifier) استفاده می نمایند. این مواد می توانند باند سیگنال های معمولی شبکه رادیویی بی سیم محلی (Wi-Fi)، را پوشش دهند، اما آنها بسیار صلب می باشند.

اگر چه استفاده از این مواد برای ساخت دستگاه های کوچک ارزان قیمت تمام می شود ولیکن استفاده از آنها برای پوشش دادن سطوح وسیع، مانند سطوح ساختمان ها و دیوارها، بسیار پر هزینه می باشد. محققین تلاش کرده اند تا این مشکلات را در طولانی مدت برطرف نمایند.

اما گزارش ها حاکی از آن بوده است که تعداد محدودی از آنتن های یکسو کننده انعطاف پذیر در فرکانس های پایین عمل و نمی توانند سیگنال ها را در فرکانس گیگا هرتز دریافت و تبدیل نمایند.

محققین برای ساختن یکسو کننده یا رکتیفایر این آنتن ها، از مصالحی متشکل از عناصر اتمی تک لایه ای و جدید بنام دی سولفید مولیبدن (MoS2) بهره بردند که در سه لایه اتمی آن یکی از نازکترین نیمه هادی های موجود در جهان وجود دارد. تیم تحقیق،بمنظور انجام این کار و کسب بیشترین فایده، رفتار بسیار دقیق و خاصی از دی سولفید مولیبدن (MoS2)را مورد بررسی قرار دادند.

این ماده، هنگانی که در معرض مواد شیمیایی خاص قرار می گیرد اتم هایش بگونه ای مرتب می گردند که عملکردی همانند سوییچ را از خود نشان می دهند و این ساختار بمانند عملکرد یک دیود نیمه هادی شاتکی (Schottky diode) می باشد که اتصالی از یک نیمه هادی با یک فلز می باشد.

زو ژان (Xu Zhang)، دانشمند علوم مهندسی الکترونیک دانشگاه کلمبیا (EECS) که به تازگی بعنوان استادیار دانشگاه کارنگی ملون (Carnegie Mellon) مشغول به فعالیت می باشد، اذعان نمود: ما توانسته ایم که از طریق اتصال فاز نیمه هادی- فلزی، یک لایه اتمی و یک دیود شاتکی فوق سریع بوجود آوریم که بطور همزمان مقاومت سری ها و ظرفیت پارازیت را به حداقل می رساند.

ظرفیت پارازیتی یک وضعیت اجتناب ناپذیر در علم الکترونیک می باشد که در آن برخی از مواد، شارژ الکتریکی کمی را ذخیره می نمایند که این مورد جریان را در مدار کاهش می دهد. بنابراین، ظرفیت پایین تر به معنای افزایش سرعت یکسو کننده و فرکانس های عملیاتی بالاتر می باشد.

فعالیت گزارش شده، طرح هایی برای ساخت دیگر ساختار های انعطاف پذیر مبدل سیگنال های رادیویی محلی به جریان الکتریسیته (Wi-Fi-to-electricity)، با خروجی و کارایی قابل توجه تر ارایه می نماید.

حداکثر کارایی خروجی برای ساختار فعلی و با توجه به توان ورودی سیگنال ها به میزان 40 درصد می باشد. در سطح سیگنال های ورودی با توان معمولی و متداول، کارایی یکسوساز دی سولفید مولیبدن (MoS2 rectifier) در حدود 30 درصد می باشد. 15 دانشمند دیگر از سایر دانشگا های معتبر در حال فعالیت و همکاری برروی پروژه مذکور می باشند، این تیم هم اکنون، در حال برنامه ریزی بمنظور ساخت سیستم ها و ساختارهای پیچیده تر و بهبود کارایی می باشد.

مترجم : اشکان رفیعی

 

زمان انتشار: شنبه ۱۳ بهمن ۱۳۹۷ - ۰۷:۰۰:۰۰

شناسه خبر: 75685

کلید واژه‌ها:
سیگنال های شبکه رادیویی بی سیم محلی (‏Wi-Fi‏) ‏ تبدیل جریان الکتریسیته ‏ عناصر اتمی تک لایه ای ‏ عناصر منعطف ‏ ارزان قیمت ‏ حوزه الکترونیک‏ تجهیزات پزشکی تحولی بنیادین ‏ جابجایی مرزهای دانش گوشی های هوشمند لپ تاپ لوازم جانبی الکترونیکی ‏ باطری دانشگاه ام آی تی (‏MIT‏) آنتن یکسو کننده رکتنا (‏rectenna‏) ‏ امواج الکترومغناطیس جریان الکتریسیته مستقیم (‏DC‏) ‏ جریان متناوب (‏AC‏) ‏ مجله علمی و بین المللی نیچر (‏nature‏) ‏ آنتن فرکانس رادیویی منعطف (‏RF‏)‏ ساختار نانوسیمی کوانتومی شارژ باطری ‏ تغذیه مدارهای الکترونیکی فرآیندی الکترونیکی اتم های کربن پیوندی ‏ بازار داغ ‏ شرکت های فن آور بزرگ ‏ میکرووات ‏ انرژی تراشه سیلیکونی ‏ دانشگاه فنی مادرید (‏Technical University of Madrid‏)‏ جایگزین بافت های زنده ‏ بیماران وضعیت سلامت ‏‏ ‏ لیتیوم (‏lithium‏) ‏ رکتیفایر (‏rectifier‏) ‏ یکسو ساز ‏ آرسنید گالیوم (‏gallium arsenide‏) ‏ سیلیکون (‏silicon‏) ‏ صلب ‏ سطوح ساختمان ها و دیوارها پر هزینه ‏ گیگا هرتز ‏ دی سولفید مولیبدن (‏MoS۲‎‏)‏ لایه اتمی ‏ نیمه هادی ‏ مواد شیمیایی خاص ‏ سوییچ ‏ دیود نیمه هادی شاتکی (‏Schottky diode‏) ‏‏ فلز ‏ دانشگاه کارنگی ملون (‏Carnegie Mellon‏)‏‏ اتصال فاز نیمه هادی- فلزی‏ ظرفیت پارازیت ‏ مقاومت سری‏ شارژ الکتریکی ‏ توان ورودی ‏ توان خروجی‏ یکسوساز دی سولفید مولیبدن (‏MoS۲ rectifier‏) ‏ بهبود کارایی ‏
دیدگاه ها و نظرات :
نام کامل وارد شود
دقیق و صحیح وارد شود
لطفا فارسی و خوانا باشد
captcha
ارسال
اشتراک گذاری مطالب