تطبيقات الطاقة لتقنية النانو
المكثفات: آنذاك والآن

يعمل العلماء والمهندسون منذ عقود على جعل الحواسب أصغر حجماً وأكثر فعالية. تعدّ المكثفات عناصر أساسية من الحواسب. المكثفة هي جهاز مكوّن من زوج من المساري يفصلها عازل عن بعضها البعض وكل منها يخزّن شحنة معاكسة. تخزّن المكثفة شحنة عندما يتم إزالتها من الدارة الموصولة إليها، وتحرر الشحنة عندما يتم إعادتها إلى الدارة. وتعتبر المكثّفات أفضل من البطّاريات بحيث أنها تحرر شحنتها بشكل أسرع من البطّاريات.
تتألف المكثّفات التقليدية المعدنية من أسطح معدنية رقيقة ناقلة مفصولة عن بعضها بعازل كهربائي ومن ثم تكدّس أو تلف وتوضع في غلاف. مشكلة هذا النوع من المكثّفات التقليدية أنها تحد من صغر حجم الحاسب الذي يمكن للمهندس تصميمه. وكحل لهذه المشكلة انتقل العلماء والمهندسون إلى استخدام تقانة النانو.
باستخدام تفانة النانو عمل الباحثون على تطوير ما أسموه «المكثفات الدقيقة» (بالإنجليزية: Ultracapacitors)‏، وهو مصطلح عام يصف المكثّفات التي تحتوي على مكونات نانوية. وهناك أبحاث كثيرة حول المكثّفات الدقيقة بسبب كثافتها الداخلية العالية، وحجمها الصغير، ووثوقيتها، وسعتها العالية. وهذا النقص في الحجم يزيد من إمكانية تطوير حواسب ودارات أصغر حجماً. وكذلك فإن للمكثّفات الدقيقة القدرة على دعم البطّاريات في السيارات الهجينة عبر تأمين كمية كبيرة من الطاقة خلال تسارع الذروة، مما يسمح للبطّاريات بتأمين الطاقة لوقت أطول أثناء القيادة بسرعة ثايتة على سبيل المثال. وهذا من شأنه أن ينقص من حجم ووزن البطّاريات الكبيرة المستخدمة في السيارات الهجينة وكذلك تخفيف الحمل عن البطّارية، لكن استخدام المكثّفات الدقيقة والبطّاريات معاً يعدّ مكلفاً بسبب الحاجة إلى إلكترونيات تيار مستمر DC إضافية لتنسيق العمل بينهما.
يعدّ الايروجيل الكربوني دقيق المسام أحد المواد التي يتم استخدامها في تصميم المكثّفات الدقيقة، فهو يملك مساحة سطح داخلي كبيرة ويمكن تعديل خواصه عبر تغيير قطر المسام وتوزعها مع إضافة فلزات قلوية بحجم النانو لتعديل ناقليتها.
وكذلك تعد أنابيب النانو الكربونية مادة أخرى يمكن استخدامها في المكثّفات الدقيقة. تصنّع أنابيب النانو الكربونية عبر تبخير الكربون ومن ثم تكثيفه على سطح. وعند تكثيف الكربون يشكّل أنبوباً دقيقاً بحجم النانو مكوّن من ذرات الكربون. ولهذا الأنبوب مساحة سطح كبيرة مما يزيد من كمية الشحنة التي يمكن تخزينها. ويجري البحث حالياً حول الوثوقية المنخفضة والكلفة العالية النتجة عن استخدام أنابيب النانو الكربونية في المكثّفات الدقيقة.
في دراسة حول المكثّفات الدقيقة أو المكتّفات الكبيرة قام باحثون من جامعة Sungkyunkwan في جمهورية كوريا بدراسة إمكانية زيادة سعة المساري عبر إضافة ذرات الفلور إلى جدران أنابيب النانو الكربونية. كما ذُكر سابقاً، تُعدّ أنابيب النانو الكربونية شكل متزايد من المكثّفات بسبب استقرارها الكيميائي الكبير، ناقليتها العالية، كتلتها الخفيفة ومساحة سطحها الكيبرة. قام الباحثون بإضافة الفلور إلى أنابيب النانو الكربونية أحادية الجدار (SWCNTs) عند درجة حرراة عالية لربط ذرات الفلور إلى الجدران. وتقوم ذرات الفلور المضافة بتغيير الأنابيب النانوية غير القطبية لتصبح جزيئات قطبية. ويمكن أن يُعزى ذلك إلى نقل الشحنة من الفلور. هذا ينشئ طبقات ثنائي القطب - ثنائي القطب على طول جدران الأنابيب النانوية الكربونية. وبمقارنة الأنابيب التي تم إضافة الفلوين إليها مع الأنابيب في حالتها العادية يظهر اختلاف في السعة. وقد قُرر أن الأنابيب التي تم إضافة الفلور إليها مفيدة في تصنيع المساري في المكثفات الكهربائية ولتحسين قابلية ترطيبها باستخدام الكهرل المائي، مما يعزز الأداء العام للمكثّفات الكبيرة supercapacitors. بينما جلبت هذه الدراسة مثالاً أكثر كفاءة من المكثفات، لا يعرف إلا القليل عن هذه المكثّفات الجديدة، ويُفتقر إلى تحليل واسع النطاق يكون ضرروياً لأي إنتاج ضخم، ويكون تحديد شروط الإعداد مهمة شاقة للوصول إلى المنتج النهائي.