ذخیره‌ی الکتریسیته در کاغذ

پژوهشگران آزمایشگاه الکترونیک آلی در دانشگاه لینکوپینگ (Linkoping) سوئد توانسته‌اند به کاغذ‌ی دست یابند که توانایی ذخیره‌ی انرژی الکتریکی را در خود دارد. این ماده از نانوسلولوزها و یک پلیمر رسانا ساخته شده است. مقاله‌ای در مورد دستاوردهای این پژوهش در مجله‌ی ادونسد ساینس (Advanced Science) منتشر شده است. یک صفحه‌ی گرد به قطر ۱۵ سانتی‌متر و ضخامتی در حد چند دهم میلی‌متر می‌تواند به اندازه‌ی یک فاراد بار الکتریکی در خود ذخیره کند. این مقدار در واقع هم‌اندازه با مقدار ظرفیت سوپرخازن‌هایی است که امروزه در بازار وجود دارند. ماده‌ی ساخته شده می‌تواند دفعات بسیاری شارژ شده و مورد استفاده قرار گیرند.

در دنیای امروز تلاش‌ها برای گسترش انرژی‌های پاک و تجدیدپذیر روبه‌روز در حال بیشتر شدن است و در پی آن باید روش‌های ذخیره‌ی انرژی هم به سمت بهینه‌شدن بروند و روش‌های جدید برای ذخیره‌ی انرژی باید با در نظر گرفتن شرایط متغیری همچون روزهای آفتابی و ابری، تابستان و زمستان و شب و روز گسترش یابند. خاویر کریسپین (Xavier Crispin) پروفسور الکترونیک آلی و یکی از همکاران پژوهش در این باره می‌گوید:

این لایه همانند خازن‌هایی کار می‌کند که از زمان‌های نسبتا دوری وجود داشته‌اند. کاری که ما انجام داده‌ایم این است که توانسته‌ایم این مواد را در سه بعد ساخت و توسعه دهیم. ما می‌توانیم صفحات ضخیم از این ماده هم بسازیم.

سایر پژوهشگران گروه از انستیتوی سلطنتی KTH، دانشگاه صنعتی دانمارک و دانشگاه کنتاکی هستند. این ماده که با نام کاغذِ توان (power paper) شناخته می‌شود در ظاهر همانند یک ورقه‌ی پلاستیکی نازک به نظر می‌رسد و پژوهشگران برای تفریح و درعین حال برای نشان دادن مقاومت آن، یک ساختار اوریگامی به شکل قو ساخته‌اند. شالوده‌ی ساختاری این ماده نانوسلولوزی است که به صورت فیبرهای سلولوز بوده و با استفاده از فشار بسیار زیاد آب این مواد به فیبرهای نازکی به ضخامت ۲۰ نانومتر می‌شوند. با حل کردن فیبرهای سلولوز در آب و در ادامه با افزودن پلیمرهای بارداری با نام (PEDOT:PSS) به محلول، در نهایت شاهد شکل‌گیری پوششی از پلیمرها روی فیبرها خواهیم بود. ژسپر ادبرگ (Jesper Edberg) دانشجوی دکترا و کسی که در انجام این آزمایشگاه با عبدااله مالتی (Malti) همکاری داشت در این باره می‌گوید:

در ماده‌ای که پس از این فرایند به دست می‌اید، فیبرها درون لایه‌های پلیمری بوده و مایع بین آنها همانند الکترودها عمل می‌کند.

ماده‌ی سلولزی‌پلیمری تازه ساخته شده توانسته است در میزان انتقال همزمان یون‌ها و الکترون‌ها یک رکورد جهانی جدید را به ثبت برساند که این امر در واقع توانایی شگفت‌انگیز این ماده را برای ذخیره انرژی نشان می‌دهد. از سویی این ماده زمینه را برای فراهم‌اوری و گسترش ظرفیت های ذخیره‌ی بیشتر فراهم ساخته است. بر خلاف باتری‌ها و خازن‌هایی که امروزه موجود هستند، این کاغذِ توان، از مواد ساده‌ای ساخته شده است؛ سلولوز تجدیدپذیر و پلیمرهایی که به سادگی در دسترس‌اند. همچنین این کاغذ سبک است و دارای مواد شیمیایی خطرناک یا فلزات سنگین نیست و در کنار همه‌ی اینها ضد‌آب هم هست. پروژه‌ی کاغذهای توان توسط بنیاد والنبرگ سرمایه‌گذاری شده است و کار پژوهشی آن از ۲۰۱۲ آغاز شده بود. پروفسور ماگنوس برگن (Magnus Berggren) سرپرست آزمایشگاه الکترونیک آلی لینکوپینگ می‌گوید:

مسئولین امر ما را برای انجام پژوهش‌هایمان آزاد گذاشته‌اند و نیازی به تحویل گزارش‌های طولانی به آنان نداریم. آنها به ما اطمینان دارند. با اینکه ما برای رسیدن به نتیجه‌ی نهایی زیر فشار هستیم اما زمان لازم برای رسیدن به نتیجه‌ی مطلوب به ما داده شده بود.

کاغذ توان همانند خمیر کاغذسازی معمولی به نظر می‌رسد که در فرایند کاغذسازی این خمیر خشک می‌شود. چالش اصلی پژوهشگران، پیدا کردن یک فرایند ساخت در مقیاس صنعتی برای این کاغذ است. برگن درباره‌ی سرمایه‌گذاری این طرح گفت:

همه‌ی گروه‌های همکاری‌کننده روی هم رفته ۳۴ میلیون کرون از بنیاد پژوهش‌های استراتژیک سوئد دریافت کرده‌اند و هدف از این سرمایه‌گذاری این است که ما بتوانیم به پژوهش‌هایمان درباره‌ی یافتن روش‌های ساخت صنعتی خردپذیر ادامه دهیم. این سرمایه‌گذاری به منزله‌ی ماشین کاغذی برای کاغذ توان است.

چهار مورد از رکوردهای ثبت شده توسط این کاغذ در زیر آورده شده‌اند:

۱. بالاترین مقدار شارژ و ذخیره در الکترونیک آلی به مقادیر به ترتیب یک کلمب و ۲ فاراد.
۲. بالاترین مقدار جریان الکتریکی اندازه‌گیری شده در میان رساناهای آلی به اندازه‌ی یک آمپر.
۳. بالاترین ظرفیت برای انتقال همزمان یون‌ها و الکترون‌ها.
۴. بالاترین مقدار ترارسانایی (رسانایی سراسری) در یک ترانزیستور به اندازه‌ی یک سیمنز.