از زباله تا فناوری: دانشمندان پوست‌های پوملو را به دستگاه‌های تولید الکتریسیته تبدیل کردند
به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign روشی را ابداع کردند تا پوست اسفنجی و متخلخل پوملو را که معمولاً به عنوان زباله دور ریخته می‌شود، در دستگاه‌هایی که الکتریسیته تولید می‌کنند و به عنوان حسگر‌های حرکت بیومکانیکی عمل می‌کنند، چرخانده کنند. این دستگاه‌های دوستدار محیط‌زیست از برق‌رسانی تماسی برای تامین برق وسایل الکترونیکی کوچک مانند LED، ماشین‌حساب، و ساعت‌های ورزشی بدون نیاز به برق خارجی استفاده می‌کنند.
پوملو، یک مرکبات بزرگ که به طور گسترده در جنوب شرقی و شرق آسیا کشت می‌شود، دارای پوست ضخیم قابل توجهی است که معمولا دور ریخته می‌شود و به ضایعات قابل توجه مواد غذایی کمک می‌کند. در یک مطالعه اخیر، محققان دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign روش‌هایی را برای استفاده مجدد از این زیست توده پوست پوملو برای توسعه ابزار‌هایی که قادر به تامین انرژی دستگاه‌های الکترونیکی کوچک و نظارت بر حرکات بیومکانیکی هستند، بررسی کردند.
دو بخش اصلی پوست پوملو وجود دارد - یک لایه بیرونی نازک و یک لایه داخلی ضخیم و سفید. قسمت سفید آن نرم است و وقتی آن را فشار می‌دهید شبیه یک اسفنج می‌شود. برخی از افراد از پوست پوملو برای استخراج ترکیبات اسانس یا پکتین استفاده کرده‌اند، اما ما می‌خواستیم به جای آن از ساختار طبیعی متخلخل و اسفنجی آن استفاده کنیم، اگر بتوانیم محصولات پوست را دور بریزیم. یی چنگ وانگ، یکی از نویسندگان این مطالعه، استادیار دپارتمان علوم غذایی و تغذیه انسانی، بخشی از کالج علوم کشاورزی، مصرف‌کننده و محیط‌زیست در ایلینوی، گفت: ما نه تنها می‌توانیم ضایعات تولید، مصرف و آب‌میوه‌سازی پوملو را کاهش دهیم، بلکه می‌توانیم ارزش بیشتری از ضایعات مواد غذایی و کشاورزی ایجاد کنیم.
پوملو معمولی بین ۱ تا ۲ کیلوگرم (۲ تا ۴.۵ پوند) وزن دارد که پوست آن ۳۰ تا ۵۰ درصد وزن کل را تشکیل می‌دهد. در مطالعه خود، محققان پوست را از میوه جدا کردند، بیرونی‌ترین لایه را جدا کردند و سپس پوست ضخیم سفید داخلی را پردازش کردند. آنها آن را به قطعات کوچک‌تر برش دادند و برای حفظ معماری متخلخل سه‌بعدی منحصر‌به‌فرد آن را در حالت یخ خشک کردند. سپس این نمونه‌ها در شرایط مختلف رطوبت برای تجزیه و تحلیل بیشتر ذخیره شدند.
با بررسی ترکیب شیمیایی و خواص مکانیکی پوست، تیم تحقیقاتی با موفقیت دستگاه‌هایی را مهندسی کردند که انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. این دستگاه‌ها همچنین به عنوان حسگر‌های حرکتی خود کار می‌کردند.
مهار برق تماس
این دستگاه‌ها از اصل برق‌رسانی تماسی استفاده می‌کنند. ممکن است پیچیده به نظر برسد، اما در واقع بسیار ساده است و ما همیشه آن را تجربه می‌کنیم. به عنوان مثال، وقتی دستگیره در را لمس می‌کنیم، به‌ویژه در فصل زمستان، گاهی اوقات یک شوک احساس می‌کنیم. مکانیسم اساسی برق‌رسانی تماسی یا تریبوالکتریک‌سازی است - «تریبو» به معنای مالش است. وقتی دو ماده به دلیل ساییدگی بار الکتریکی به یکدیگر ساییده می‌شوند. وانگ گفت: اگر بتوانیم آن برق را جمع آوری و استفاده کنیم.
محققان از زیست توده پوست پوملو و یک لایه پلاستیکی (پلی‌آمید) به عنوان دو لایه تریبوالکتریک استفاده کردند که در صورت وجود نیروی خارجی در تماس قرار می‌گیرند. آنها یک الکترود فویل مسی را به هر یک از این لایه‌ها متصل کردند و ارزیابی کردند که دستگاه به دست آمده چقدر می‌تواند انرژی مکانیکی خارجی را به الکتریسیته تبدیل کند.
به سادگی با ضربه زدن روی این دستگاه‌های تریبوالکتریک مبتنی بر پوست پوملو با انگشت، آنها می‌توانند حدود ۲۰ دیود ساطع کننده نور (LED) را روشن کنند. آنها همچنین نشان دادند که یک ماشین حساب یا ساعت ورزشی می‌تواند تنها با این نیرو‌های مکانیکی، بدون نیاز به الکتریسیته خارجی، زمانی که دستگاه با یک سیستم مدیریت انرژی که شامل یک واحد ذخیره انرژی است، یکپارچه شده است.
وانگ توضیح داد: این نرم افزار دارای پتانسیل قوی برای تبدیل انرژی هدر رفته به الکتریسیته مفید است. ما همچنین دریافتیم که به لطف ساختار طبیعی متخلخل پوست پوملو، دستگاه‌های تریبوالکتریک مبتنی بر آن می‌توانند به شدت به نیرو و فرکانس نیرو حساس باشند. این الهام بخش ما برای توسعه دستگاه‌های سنجش است که می‌توانند برای نظارت بیومکانیکی به بدن انسان متصل شوند.
نظارت بر حرکت انسان و پیامد‌های آینده
هنگامی که به قسمت‌های مختلف بدن متصل شد، حسگر‌های اثبات مفهوم محققان قادر به نظارت بر حرکات بیومکانیکی مانند حرکات مفاصل و الگو‌های راه رفتن بودند. این به این دلیل بود که حرکات قسمت‌های مختلف بدن می‌تواند منجر به برق‌رسانی تماس بین لایه‌های تریبوالکتریک شود و سیگنال‌های الکتریکی متمایز مربوط به حرکات مختلف را تولید کند. این قابلیت پتانسیل بالایی برای ارائه بینش‌های ارزشمند برای متخصصان مراقبت‌های بهداشتی و توانبخشی فیزیکی دارد.
وانگ گفت: این کار فرصت‌های هیجان انگیزی را برای تبدیل ضایعات مواد غذایی به دستگاه‌ها و مواد با ارزش افزوده نشان می‌دهد. با جایگزین کردن یا تکمیل نمونه‌های غیرقابل تجدید و کاهش ضایعات، می‌تواند کمک قابل توجهی به پایداری طولانی مدت کند و ما به کاوش در فرصت‌های بیشتر برای بازیافت مواد غذایی و زباله‌های کشاورزی ادامه خواهیم داد.
محققان یک پتنت موقت برای دستگاه‌های تریبوالکتریک مبتنی بر پوست پوملو خود ثبت کرده‌اند.
مرجع: «ارزش‌گذاری ضایعات غذایی: استفاده از مواد متخلخل طبیعی مشتق شده از زیست توده پوست پوملو برای توسعه نانو ژنراتور‌های تریبوالکتریک برای برداشت انرژی و سنجش خودکار» توسط Longwen Li، Zhenhui Jin، Chenxin Wang و Yi-Cheng Wang، ۱۱ جولای. Apps۲۰ ACS
DOI: ۱۰.۱۰۲۱/acsami.۴c۰۲۳۱۹
بودجه این پروژه توسط USDA-NIFA (ILLU-۶۹۸-۹۳۰ و ILLU-۶۹۸-۹۹۴) تامین شد.