دستیابی پژوهشگران دانشگاه امیرکبیر به دانش فنی تولید هیدروژل‌های منعطف با کاربرد در ابرخازن‌ها

تولید هیدروژل‌های خودترمیم شونده برای کاربرد در ابرخازن‌های منعطف، دستاورد جدید پژوهشگران دانشگاه صنعتی امیرکبیر است که نتایج آن در قالب ۴ مقاله ISI منتشر شده است.

کد خبر: ۱۲۵۴۱۰۸

شنبه - ۰۶ ارديبهشت ۱۴۰۴ / April 26, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، میترا نجفلو دانش آموخته دکترای دانشگاه صنعتی امیرکبیر با راهنمایی و هدایت دکتر لیلا ناجی طرحی را با عنوان «تهیه هیدروژل‌های خود ترمیم شونده و ضد اشتعال بر پایه آلژینات برای کاربرد در ابرخازن‌های منعطف» را اجرایی کرد.

نجفلو هدف اصلی این پژوهش را طراحی و ساخت هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده و ضد اشتعال مبتنی بر آلژینات بیان کرد و افزود: این تحقیق با هدف پاسخ‌گویی به چالش‌های کلیدی در زمینه‌ی مواد پیشرفته مورد استفاده در ابرخازن‌های منعطف، انجام شده است.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیرخاطر نشان کرد: ابرخازن‌های منعطف به‌عنوان یکی از اجزای کلیدی ذخیره‌سازی انرژی در دستگاه‌های پوشیدنی، حسگر‌های زیستی و تجهیزات الکترونیکی پیشرفته، با چالش‌هایی مانند حفظ عملکرد تحت شرایط خمش و تغییر شکل، پایداری الکتروشیمیایی در طول زمان و نیاز به مواد سازگار با محیط زیست مواجه هستند.

وی یادآورشد: برای پاسخ به این چالش‌ها، اجزای ابرخازن‌های منعطف باید ویژگی‌هایی نظیر انعطاف‌پذیری مکانیکی، رسانایی الکتریکی مناسب، پایداری حرارتی، زیست‌سازگاری و قابلیت بازیابی ساختار پس از آسیب را داشته باشند. در همین راستا، ما اقدام به طراحی و تولید هیدروژل‌هایی زیست‌سازگار و دارای خواص الکتروشیمیایی مطلوب نمودیم که از ویژگی‌های زیر برخوردارند:

• خاصیت خودترمیم‌شوندگی برای افزایش طول عمر عملکردی

• مقاومت در برابر آتش‌سوزی برای افزایش ایمنی

• رسانایی یونی و الکتریکی مناسب برای استفاده در ذخیره‌سازی انرژی

• انعطاف‌پذیری بالا برای کاربرد در سطوح و دستگاه‌های خم‌شونده

• زیست‌سازگاری و تجزیه‌پذیری زیستی برای کاربرد‌های پزشکی

• پایداری الکتروشیمیایی برای حفظ عملکرد در چرخه‌های شارژ و دشارژ مکرر

نجفلو گفت: در نتیجه، هیدروژل‌های تولیدشده قابلیت استفاده در حوزه‌های مختلف از جمله مهندسی پزشکی، حسگر‌های زیستی، ابرخازن‌های منعطف و سایر فناوری‌های پیشرفته ذخیره انرژی را دارند؛ زیرا مجموعه‌ای از خواص موردنیاز این کاربرد‌ها را به‌طور همزمان در خود جای داده‌اند. این خواص شامل موارد زیر است:

۱. افزایش دوام و پایداری در برابر آسیب‌های مکانیکی: در بسیاری از کاربرد‌های منعطف و زیست‌پزشکی، مواد در معرض فشار، خمش یا ضربه قرار می‌گیرند. هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده با توانایی بازگشت به ساختار اولیه پس از آسیب، موجب افزایش طول عمر و پایداری سیستم‌ها می‌شوند.

۲. مقاومت در برابر اشتعال: در حوزه‌های صنعتی و الکترونیکی، خطر آتش‌سوزی یک چالش مهم محسوب می‌شود. ویژگی ضد اشتعال این هیدروژل‌ها، از گسترش آتش جلوگیری کرده و ایمنی دستگاه‌ها را افزایش می‌دهد.

۳. نیاز به مواد زیست‌سازگار و با کارایی بالا: آلژینات به‌عنوان یک پلیمر زیست‌تجزیه‌پذیر و زیست‌سازگار که از جلبک‌های دریایی استخراج می‌شود، کاربرد گسترده‌ای در حوزه‌های مهندسی پزشکی، از جمله زخم‌پوش‌ها، سامانه‌های دارورسانی و پروتز‌های زیستی دارد.

۴. توسعه فناوری‌های منعطف و قابل اطمینان برای دستگاه‌های پزشکی و الکترونیکی پیشرفته: با رشد روزافزون دستگاه‌های پوشیدنی پزشکی و حسگر‌های زیستی، نیاز به موادی که بتوانند در شرایط متغیر محیطی و زیستی عملکرد مطلوبی ارائه دهند، افزایش یافته است.

وی با بیان اینکه هدف نهایی این تحقیق، توسعه موادی است که ضمن ارائه عملکرد مکانیکی، الکتریکی و زیستی بالا، انعطاف‌پذیر، بادوام و دوستدار محیط زیست باشند و بتوانند در فناوری‌های پیشرفته مانند ابرخازن‌های منعطف، سنسور‌های هوشمند و تجهیزات مهندسی پزشکی نقش مؤثری ایفا کنند، اظهار کرد: این تحقیق به میزان قابل‌توجهی در دستیابی به اهداف موردنظر مؤثر بوده و از چند جهت دارای اهمیت است که یکی از این موارد ارتقای دانش در این حوزه است. توسعه هیدروژل‌های خودترمیم‌شونده و ضد اشتعال با استفاده از آلژینات، مرز‌های دانش در زمینه مواد زیستی، ابرخازن‌های منعطف و مهندسی پزشکی را گسترش داده است. این تحقیق ترکیب جدیدی از زیست‌سازگاری، انعطاف‌پذیری و قابلیت خودترمیمی را معرفی کرده که می‌تواند الهام‌بخش تحقیقات آتی در حوزه مواد هوشمند باشد.

وی بعد دیگر را روش سنتز ساده و قابلیت صنعتی شدن عنوان کرد و یادآور شد: روش سنتز هیدروژل‌ها در این تحقیق بر پایه فرآیند‌های شیمی سبز و ساده طراحی شده است که از واکنش‌های قابل‌کنترل و مواد اولیه ارزان‌قیمت استفاده می‌کند. این ویژگی باعث می‌شود تولید این مواد نه‌تنها برای پژوهش‌های آزمایشگاهی، بلکه برای تولید صنعتی نیز مقرون‌به‌ صرفه باشد. هزینه پایین مواد اولیه (آلژینات) و فرآیند تولید ساده، تولید انبوه این مواد را اقتصادی و قابل‌رقابت در بازار جهانی می‌کند.

مجری طرح، بومی‌سازی فناوری و پتانسیل تجاری‌سازی و کاربردی‌سازی را از دیگر دلایل اهمیت این طرح ذکر کرد و ادامه داد: استفاده از آلژینات در ترکیب با دیگر مواد برای تولید هیدروژل خود ترمیم شونده و ضد اشتعال یک رویکرد جدید است که می‌تواند به‌عنوان یک راهکار عملی و نوآورانه در صنایع مختلف از جمله انرژی، الکترونیک و مهندسی پزشکی معرفی شود. این تحقیق با ایجاد پل میان دانش پایه و کاربرد عملی، گامی مؤثر در جهت توسعه پایدار فناوری‌های هوشمند برداشته است و ظرفیت بالایی برای توسعه فناوری‌های منعطف و پایدار در سطح ملی و بین‌المللی دارد.

این دانش آموخته دانشگاه صنعتی امیرکبیر اضافه کرد: برای اجرایی کردن این طرح بعد از مرور پیشینه تحقیق، نسبت به انتخاب مواد اولیه آلژینات به دلیل زیست‌سازگاری، زیست‌تخریب‌پذیری، ضد اشتعالی و ویژگی‌های مکانیکی مناسب اقدام شد. طراحی و سنتز هیدروژل‌ها، آزمایش‌های عملکردی، تحلیل و بهینه‌سازی و در نهایت، تولید هیدروژل‌های با کارایی بالا و ارزیابی کاربرد‌های بالقوه در صنایع مختلف از دیگر فرایند‌های اجرایی این طرح بوده است.

وی تنظیم تعادل بین خودترمیمی و خواص مکانیکی، بهبود هدایت الکتریکی، پایداری در شرایط متغیر محیطی، تکرارپذیری در فرآیند تولید را از چالش‌های اجرایی این مطالعات دانست و یادآور شد: نتایج این تحقیق در صنایع و حوزه‌هایی، چون بهبود ابرخازن‌های منعطف و باتری‌های هوشمند ضد اشتعال برای کاربرد‌های پیشرفته، تولید سنسور‌های زیستی و دستگاه‌های پوشیدنی با قابلیت انعطاف‌پذیری بالا، ضد اشتعالی و خودترمیمی، طراحی زخم‌پوش‌ها، دارو‌رسانی کنترل‌شده، ایمپلنت‌های زیستی و پروتز‌های هوشمند، استفاده از هیدروژل‌های زیست‌تجزیه‌پذیر در دستگاه‌های زیست‌پالایی، کاربرد دارد.

نجفلو انتشار نتایج این مطالعات در قالب ۴ مقاله ISI و یک مقاله علمی-پژوهشی و ثبت اختراع را از دیگر دستاورد‌های این تحقیق نام برد و گفت: خودترمیمی و قابلیت بازسازی ساختار بدون نیاز به مداخله خارجی، مقاومت بالا در برابر آتش‌سوزی، مناسب برای کاربرد‌های منعطف و پوشیدنی، ایمن برای استفاده در محیط زیست و کاربرد‌های پزشکی، از ویژگی‌های بارز هیدروژل‌های تولید شده است.