نانو کامپوزیت‌های هوشمندی که قابلیت ذخیره و آزاد سازی انرژی دارند

بحران انرژی و آلودگی محیط زیست، دو پدیده‌ی بسیار مطرح و حیاتی در دنیای امروزی هستند. یکی از بهترین راهکارها، استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر و پاک به‌جای سوخت‌های فسیلی است. مواد تغییرفازدهنده، جزئی از انرژی‌های تجدیدپذیر محسوب می‌شوند. این مواد، انرژی گرمایی را به صورت گرمای نهان ذوب در خود ذخیره کرده و از فاز جامد به مایع تبدیل می‌شوند؛ در نهایت با تغییرات دمایی ( تغییر فاز از مایع به جامد)، این گرما را آزاد می‌کنند.

مهندس سید ایمان گلستانه، کارشناس ارشد مهندسی شیمی از دانشگاه شیراز، ضرورت انجام طرح را تولید نانوکامپوزیت‌های هوشمند معرفی کرد تا به‌وسیله آن‌ها بتوان گام بلندی در زمینه‌ی ذخیره و انتقال انرژی برداشت. در ساخت این نانوکامپوزیت‌ها از مواد تغییر فاز دهنده و نانو ذرات اکسید فلزی استفاده شده است.

وی در ادامه عنوان کرد: «از نظر کاربردی آن دسته از کامپوزیت‌های حاوی مواد تغییردهنده فاز مطلوب هستند که علاوه بر دارا بودن دامنه تغییر دمایی گسترده و گرمای نهان بالا (گرمایی است که ماده در هنگام تبدیل از حالتی به حالت دیگر از دست داده یا جذب می‌کند) دارای ضریب هدایت حرارتی مناسب باشند. نانوالیاف تغییردهنده فاز با اهداف مختلف و روش‌های گوناگون سنتز می‌شوند. با وجود همه مزایا، این مواد از محدودیت‌هایی همچون پایین بودن ضریب هدایت حرارتی برخوردارند که باید تلاش کرد تا آن را رفع نمود. با این کار عملکرد مواد تغییردهنده فاز و توجیه کاربردی آن‌ها بهبود می‌یابد.»

گلستانه پیرامون روش به‌کار گرفته شده در این طرح جهت رفع این نقص گفت: «در این پروژه، ما نانوالیاف یوتکتیک اسیدهای چرب که دامنه تغییر دمایی کوچک دارند را به روش کوالکترواسپینینگ سنتز کردیم. جهت افزایش ضریب هدایت حرارتی نانوذرات اکسیدهای فلزی مانند (اکسید سیلیسیوم، اکسید آهن، اکسید آلومینیوم و اکسید روی) Al2O3, Fe2O3, SiO2 و ZnO به محلول تولید نانوالیاف اضافه شده است تا نانوکامپوزیت و نانوالیاف مواد تغییردهنده فاز سنتز و تولید گردد.»

به گفته‌ی این محقق، با افزودن نانوذرات اکسید فلزی، ضریب هدایت حرارتی نانوالیاف تا حدود96% نسبت به کامپوزیت پلیمری پایه بهبود یافته است. همچنین محدوده‌ی دمای تغییرفازی این محصولات تولید شده گسترده (حدود 17 درجه) و نزدیک دمای بدن انسان است. لذا این نانوکامپوزیت‌ها جهت ذخیره‌سازی و آزادسازی انرژی در دماهای پایین بسیار مفید هستند.

این نتایج منجر به کاهش هزینه ذخیره و بازیابی انرژی، کاهش قیمت تمام شده محصول، کاهش آلودگی محیط زیست و افزایش رفاه مصرف کننده می‌شوند.

گلستانه در خصوص کاربردهای این نانوالیاف گفت: «اصلی‌ترین کاربرد این محصولات به عنوان ذخیره سازی و آزادسازی انرژی در صنایع نساجی همچون لباس‌های هوشمند است. البته در صنایع مهندسی پزشکی، مدیریت گرمایی انواع باتری‌ها و صنایع دیگر نیز می‌توانند کاربرد داشته باشند. همچنین هزینه تمام شده نیز بستگی به محل و میزان مصرف دارد. از آنجایی که این مواد تجدیدپذیر و به دفعات (سیکل گرمایش و سرمایش) قابل استفاده هستند، طبق پژوهش‌های صورت گرفته از نظر اقتصادی نیز کاملاً توجیه‌پذیر هستند.»

در این طرح از آزمون‌هایی نظیر طیف‌سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز (FT-IR)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، دستگاه آنالیز گرماسنجی روبشی تفاضلی(DSC) ، آنالیز توزین حرارتی و مشتق توزین حرارتی(TGA & DTGA) و آنالیز کیفی و کمی میزان هدایت حرارتی استفاده شده است.

این تحقیقات حاصل همکاری مهندس سید ایمان گلستانه- کارشناس ارشد مهندسی شیمی از دانشگاه شیراز- دکتر غلامرضا کریمی-عضو هیأت علمی دانشگاه شیراز- دکتر عزیز باباپور- عضو هیأت علمی دانشگاه محقق اردبیلی- و دکتر فرشید ترابی از دانشگاه ریجاینا کاناداست. نتایج این کار در مجله‌ی Applied Energy با ضریب تأثیر 7/182 (جلد 212، سال 2018، صفحات 552 تا 564) منتشر شده است.