نانو ابر خازن ها Nano cloud capacitor و خاصیت ذخیره جریان الکتریکی

 

نانو (ابر خازن) رشته ای  هم امکان عبور جریان و هم ذخیره سازی انرژی را دارد. برای ساخت این رشته، از سیم مسی و لایه های نانو مقیاس پلاستیکی استفاده شده است.تا کنون از کابل و سیم برای  ذخیره جریان الکتریسیته استفاده میشد. اما یک رشته نانو سیم مسی سبک میتواند علاوه بر انتقال الکتریسیته، انرژی را نیز در خود ذخیره کند .از یک نانو ساختار برای هدایت و ذخیره سازی استفاده میشود.  چنین سیمی میتواند در داخل نانو لوله های تک لایه CNT برای ذخیره جریان استفاده گردد. نانو سیم مسی، یک غلاف نانو مقیاس قرار دارند. و این غلاف با یک آلیاژ ویژه ترکیب شده و در نهایت الکترودی ایجاد میکند.

ابر خازن ها برای ذخیره سازی نیاز به الکترود دیگری نیز دارند. آنها برای این کار یک لایه پلاستیک نازک روی سطح غلاف قرار دارد و روی آن را با فلز دیگری پوشانده شده است. برای اتصال این لایه ها به هم از یک ژل ویژه نیز استفاده میشود. به دلیل وجود نانو لایه ی عایق،در ابر خازن ها  رشته سیم درونی میتواند نقش انتقال دهندهی جریان را ایفا کند و الکترود خارجی نیز به صورت مستقل امکان ذخیره سازی را فراهم میکند. در این صورت ابر خازنی از جنس مس تولید میشود که هم امکان عبور جریان و هم ذخیره سازی را دارد. با مواد دیگر نیز میتوان چنین ابر خازنی تولید کرد. ذخیره انرژی و رسانایی الکتریکی کابل های نانو لوله ای میتواند در حد رسانایی سیم های فلزی باشد، در بین ترکیبات مختلف استفاده شده در ابرخازنها، مواد پایه گرافنی به ویژه گرافن سه بعدی به دلیل ساختار منحصر بفرد سه بعدی راه را برای نفوذ الکترولیت تسهیل کرده و سبب افزایش ذخیره انرژی میشوند. همچنین هدایت الکتریکی بالا و مساحت سطح زیاد از جمله دیگر مزایای این نوع ساختارهای متخلخل سه بعدی میباشد که پتانسیل بالقوه ای برای کاربرد در نانو ابر خازن ها پیدا کرده اند.

یکی از فناوریهایی، که در سالهای اخیر رشد چشمگیری داشته و میتواند در آینده نزدیک منشا تحول در صنایع مختلف از جمله نانو الکترونیک شود، فناوری ساخت (ابر خازنها) است. میتوان گفت ابرخازن نوعی واسط بین خازنهای الکترولیت و باتری های قابل شارژ است.

ساختار و ساختمان  (نانو ابر خازن ها) بر پایه  نانو الکترونیک 100 برابر بار بیشتری نسبت به انواع الکترولیت در حجم مساوی ذخیره کنند و با سرعت بسیار بیشتری نسبت به باتری شارژ و تخلیه شوند. البته هنوز این خازنها تا 10 برابر بار کمتری نسبت به بعضی انواع باتری در حجم مساوی ذخیره میکنند باتوجه به این ویژگیها، (ابر خازنها) در مواردی، که نیاز به دفعات مکرر شارژ و تخلیه باشد، سرعت شارژ بالا موردنیاز باشد و یا نیاز به تخلیه ناگهانی بار باشد، مورد استفاده قرار میگیرند.(تاکنون مصرف عمده آنها در صنایع الکترونیک به عنوان پشتیبان برای حافظه های SRAM بوده است.)نانو الکترونیک طرحواره ای از یک (ابر خازن) در نشان داده شده است. ایده اصلی برای رسیدن به ظرفیت بالای خازنی کاهش فاصله بارهای مثبت و منفی در خازن است. طراحی این خازنها به گونهای است که ضخامت لایه (دی_الکتریک) در آنها از یک یا چند ملکول تجاوز نمیکند. نانو لایه (دی_الکتریک) حایل بین بارهای مثبت و منفی است که ضخامت بسیار ناچیزی دارد. و نانو ماده  هم الکترولیتی است که حاوی یونهای مثبت و منفی است. با قراردادن پتانسیل بین الکترودهای خازن، یونهای منفی به سمت الکترود مثبت و یونهای مثبت به سمت الکترود منفی حرکت میکنند. نهایتا دو خازن، که به صورت سری به هم وصل شده اند، به دست میآید

نانو ساختارهای پشتیبان (حافظه های چند کاربردی SRAM) ساخت تراشه های حافظه ای از جنس نانو لوله های کربنی میباشد، اگر چه کشف نانو لوله های کربنی کوچک اما بسیار مقاوم، انعطاف پذیر و رسانا با ابعادی در حد رشته های DNA بوده است و استفاده از مولکولهای آلی ریز شبه کلروفیلی (نانو ابر خازنی) به جای (خازن های ذخیره بار) در تراشه های حافظه از نوع DRAM و SRAM ،جذب کند. نانو بلورها  که کاربرد آن موجب افزایش طول عمر حافظه های فلش خواهد شد. و توسعه ی نوعی ماده مغناطیسی که براساس پروتئین فریتین (Ferritin) ساخته شده و  در ساخت دیسک درایو و تراشه های حافظه به کار خواهد رفت.تولید و ساخت حافظه ها یکی از بزرگترین بخشهای صنعتی است اما با مشکلات فنی متعددی نیز مواجه است؛ مشکلاتی از قبیل نشت بار از (نانو ابر خازن ها)، ساختارهایی با پیچیدگی فزآینده و نیز حساسیت به خطاهای جزئی ناشی از پرتوهای کیهانی. وجود چنین مشکلاتی سبب میشود تا سازندگان تراشه نتوانند بیش از این ابعاد تراشه های خود را کاهش دهند. مسائل قابل توجه دیگری که در این زمینه وجود دارد، عبارتند از تراشه های SRAM مربوط به سلولهای بزرگ حافظه، مشکل قراردادن DRAM و حافظه فلش در کنار تراشه های منطقی و کندی زمان دسترسی به حافظه فلش و پایداری محدود آن است.

نانو فولرین ها با قابلیت ذخیره انرژی الکترو استاتیکی که آنها را می توان به عنوان (نانو ابر خازنی)با ظرفیت بسیار بالا بکار برد.همچنین بوسیله این نانو لوله ها میتوان شبکه عصبی را ترمیم کرد. نانو فولرین های کربنی، آلوتروپی از کربن نظیر الماس و گرافیت هستند این ترکیبات از کربن ساخته شده اند که شکلهای کروی، بیضوی به خود می گیرند به آن دسته که کروی شکل هستند، باکی بال می گویند.نانو فولرین ها به نور حساس اند و با تغییر طول موج نور خواص الکتریکی شان به شدت تغییر می کند. مانند: دیود های نور افشان آلی با طول عمر و عملکرد بالا و (نانو ابر خازن ها) ، درون مولکول های فولرین ها را می توان توسط عناصر دیگر پر کرد. به عنوان مثال با قرار دادن برخی عناصر فلزی درون فولرین ها می توان خواص الکتریکی آنها را ارتقاء داد. همچنین از مولکول فلورین برای ذخیره سازی در (نانو ابر خازن ها) و حبس اتم های غیرکربنی می توان استفاده کرد.