تمتص أكثر من 90٪ من ضوء الشمس! أستراليا طورت نوعًا جديدًا من أفلام الجرافين!

طور باحثون في مركز المواد الذرية الانتقالية (CTAM) بجامعة سوينبرن للتكنولوجيا في ملبورن بأستراليا فيلمًا جديدًا من الجرافين يمكنه امتصاص أكثر من 90 بالمائة من ضوء الشمس بينما يتم التخلص من معظم خسائر الانبعاث الحراري للأشعة تحت الحمراء في نفس الوقت ، وهذا هو أول تقرير عن هذا العمل الفذ.

هذه مادة عالية الكفاءة للتسخين الشمسي قادرة على التسخين بسرعة إلى 83 درجة مئوية (181 درجة فهرنهايت) في بيئة مفتوحة مع الحد الأدنى من فقدان الحرارة. تشمل التطبيقات المقترحة للفيلم تجميع الطاقة الحرارية وتخزينها ، وتوليد الطاقة الحرارية الشمسية ، وتحلية مياه البحر.

قال المدير المؤسس لشركة CTAM البروفيسور باوهوا جيا إنه في حين أن امتصاص أشعة الشمس أثناء قمع فقدان الإشعاع الحراري (المعروف أيضًا باسم إشعاع الجسم الأسود) يعد أمرًا بالغ الأهمية لامتصاص الحرارة الشمسية بكفاءة ، إلا أنه من الصعب للغاية تحقيقه. وأوضحت "هذا لأنه ، اعتمادًا على الحرارة الممتصة وخصائص الامتصاص ، تختلف درجة حرارة الانبعاث بشكل كبير ، مما يؤدي إلى اختلاف كبير في الطول الموجي لها". لكننا طورنا مادة جرافين مهيكلة ثلاثية الأبعاد (مواد هيكلية من الجرافين ، SGM) ، وهي مادة ماصة للغاية ويمكنها بشكل انتقائي تصفية إشعاع الجسم الأسود ".

تتكون مادة الجرافين الخارقة الهيكلية ثلاثية الأبعاد هذه من 30- غشاء غرافين متناوب بسمك نانومتر وطبقة عازلة ترسبت على بنية نانوية تشبه الخندق تتضاعف كركيزة نحاسية لتحسين الامتصاص. الأهم من ذلك ، أن الركائز منقوشة في ترتيب مصفوفة لتمكين الانضباط المرن للامتصاص الانتقائي لطول الموجة.

تم تصميم أفلام الجرافين لامتصاص الضوء بأطوال موجية تتراوح بين 0. 28 و 2.5 ميكرون. يسمح هيكل الركيزة النحاسية لها بالعمل كمرشح انتقائي لتمرير النطاق ، مما يمنع الانبعاث الطبيعي لطاقة الجسم الأسود المتولدة داخليًا. هذه الحرارة المحتجزة يمكن أن تزيد من درجة حرارة المادة الخارقة. لذلك ، يمكن لـ SGM تسخين ما يصل إلى 83 درجة مئوية بسرعة. إذا كانت درجات الحرارة المختلفة مطلوبة لتطبيقات محددة ، فيمكن تصنيع هياكل نانوية جديدة للقنوات وضبطها لتلائم أطوال موجات محددة للجسم الأسود. قال البروفيسور جيا: "في عملنا السابق ، أظهرنا 90- مادة نانومترية من الجرافين ماص للحرارة". على الرغم من أنه يمكن تسخينها إلى 160 درجة مئوية ، إلا أن هيكلها أكثر تعقيدًا ، حيث تتكون من أربع طبقات: طبقة أساسية وطبقة فضية وطبقة أكسيد السيليكون وطبقة جرافين. هيكلنا ثنائي الطبقات الجديد أبسط ولا يتطلب فراغ الترسيب. طريقة التصنيع قابلة للتطوير ومنخفضة التكلفة ".

تقلل المادة الجديدة أيضًا من سمك الفيلم بشكل كبير بمقدار الثلث وتستخدم كمية أقل من الجرافين ، ويساعد رقيقها على نقل الحرارة الممتصة إلى وسائط أخرى ، مثل الماء ، بشكل أكثر كفاءة. بالإضافة إلى ذلك ، يكون الفيلم كارهًا للماء ، مما يساعد في التنظيف الذاتي ، بينما تحمي طبقة الجرافين بشكل فعال الطبقة النحاسية من التآكل ، مما يساعد على إطالة عمر المادة الفوقية.

قال Keng-Te Lin ، الذي قام مؤخرًا نُشر في Nature Communications (Nature Communications) ، المؤلف الرئيسي لورقة بحثية عن المواد الخارقة وباحث في جامعة Swinburne. وأشار إلى أنه يمكن أيضًا استخدام رقائق الألومنيوم لاستبدال النحاس دون المساومة على الأداء.

قال Keng-Te: "لقد استخدمنا الغشاء النموذجي لإنتاج المياه النظيفة وحققنا كفاءة مبهرة من البخار الشمسي بنسبة 96.2 بالمائة. وهذا تنافسي للغاية لتوليد الطاقة من المياه النظيفة باستخدام مصادر الطاقة المتجددة. قوية."

وأضاف أنه يمكن أيضًا استخدام المواد الخارقة في تطبيقات تجميع الطاقة وتحويلها ، وتوليد الطاقة البخارية ، وتنقية مياه الصرف الصحي ، وتحلية مياه البحر ، وتوليد الطاقة الحرارية الشمسية.

لكن يبقى أحد التحديات هو إيجاد طريقة لجعل الركيزة قابلة للتمدد.

قال البروفيسور جيا: "نحن نعمل مع Innofocus Photonics Technology ، وهي شركة خاصة قامت بتسويق آلة طلاء لوضع طبقات الجرافين والعزل الكهربائي". "نحن سعداء بذلك. نحن الآن نبحث عن طريقة لإنتاج ركائز نحاسية على نطاق واسع." وتضيف أن أحد الأساليب الممكنة هو عملية بدء التشغيل.

في غضون ذلك ، يواصل الباحثون تحسين تصميم البنية النانوية لتحسين الاستقرار وكفاءة الامتصاص في SGM. قال البروفيسور جيا: "بالنسبة للتسويق ، نعتقد أنه ممكن في غضون عام إلى عامين".