أنابيب الكربون النانوية كمادة واعدة للإضاءة منخفضة التكلفة

ترجمة: ميشيل رحال، الكيمياء العربي
تعتبر الالكترونيات المعتمدة على عنصر الكربون، خصوصاً أنابيب الكربون النانوية CNTs، المرشحات الأقوى لعنصر السيليكون من أجل تشكيل مواد نصف ناقلة. ومن الممكن أن تكون هذه الأنابيب، قادرةً على بناء جيل جديد من الأجهزة ذات إضاءة أقوى، أقل استهلاكاً للطاقة، وأقل تكلفة، والتي يمكنها تحدي هيمنة الديودات المصدرة للضوء LEDs في المستقبل، ولمساعدة المجتمع في الاعتماد على مصادر للإضاءة أكثر صداقةً بالبيئة.
طور علماء من جامعة توهوكو Tohoku University في اليابان، شكلاً جديداً من الإضاءة ذات استهلاك منخفض للطاقة، معتمدة على أنابيب الكربون النانوية، وباستهلاك طاقي منخفض بحوالي 0.1 واط، من أجل كل ساعة تشغيل، وهي أقل ب 100 مرة من استهلاك الديودات الضوئية للطاقة.
شرح العلماء بالتفصيل، في مجلة Review of Scientific Intruments، عملية تصنيع وتحسين هذا الجهاز، والذي أساسه شاشة فوسفورية، وأنابيب الكربون النانوية أحادية الجدران، تعمل عمل الأقطاب Electrodes، ضمن بنية ديود Diode.
تم تجميعها على أداة، هي مزيج من سائل يحوي أنابيب كربون نانوية أحادية الجدران، وعالية التبلور، مبعثرة ضمن مذيب عضوي، ممزوج بمادة فعالة سطحياً Surfactant. من ثم، تم دهن المزيج على القطب الموجب المهبط Cathode، وتم خدش السطح باستخدام ورق زجاجي لتشكيل لوحة ضوئية، قادرة على إنتاج تيار إصدار كبير، مستقر ومتجانس، ومنخفض التكلفة.
يقول نوريهيرو شيموي Norihiro Shimoi، المسؤول في الفريق البحثي: “يمكن لديود لوحتنا أن يقدم فعالية إضاءة عالية تساوي إلى 60 Lumen (وحدة قياس الاضاءة) لكل واط، والتي يمكنها أن تكون أداةً إضاءة واعدة وذلك باستهلاك منخفض للطاقة”.
فعالية الإضاءة، هي كمية الضوء الناتج عن مصدر ضوئي عند استهلاك كمية الواحدة من الطاقة الكهربائية، والتي تعتبر كمؤشر ضروري لمقارنة فعالية استهلاك الطاقة من المصادر المختلفة للإضاءة. مثلاً يمكن للديودات الحالية أن تنتج 100s Lumen لكل واط، بينما الديودات العضوية OLEDS تنتج حوالي 40.
للأجهزة الحديثة أنظمة إضاءة مشابهة لأنابيب الأشعة المهبطية (الموجودة في التلفزيونات القديمة)، حيث تعمل أنابيب الكربون النانوية عمل المهبط، وتعمل شاشة الفوسفور ضمن تجويف مخلى Vacuum، كالمصعد Anode. تحت تأثير حقل كهربائي كبير، يصدر المهبط حزم عالية السرعة من الالكترونات من خلال رؤوس أنابيب الكربون، من خلال الاعتماد على ظاهرة الإصدار الحقلي Field Emission. من ثم تطير الالكترونات خلال المجال المخلى ضمن التجويف، ويصطدم بالشاشة الفوسفورية ليتم إضائتها.
تلهم مصادر الكترونات الإصدار الحقلي، وذلك لقابليتها على تحسين شدة الحزم الالكترونية والتي هي أكثف ب 1000 مرة من مصادر المهبط ذو الاصدار الأيوني الحراري (مثل الأسلاك المتوهجة ضمن اللمبة الضوئية). يعني ذلك أن مصادر الإصدار الحقلي تتطلب أقل طاقة لتشغيل وإنتاج أكبر قدر من الالكترونات التي يمكن التحكم بها وتوجيهها بسهولة.
في السنوات الأخيرة، برزت أنابيب الكربون النانوية كمواد واعدة في عائلة الإصدار الحقلي، وذلك بفضل بنيتها ضمن الأبعاد النانوية، وخواصها الاستثنائية مثل الاستقرار الكيميائي، ناقليتها الحرارية المرتفعة، والقوة الميكانيكية.
لا تملك أنابيب الكربون النانوية عالية التبلور HCSWNT أية عيوب بنيوية سطحية. إنّ مقاومة المهبط المكون من هذه الأنابيب منخفضة جداً. لذلك فإنّ الضياع في استهلاك الطاقة باستخدام هذه الأداة ذات الشاشة المسطحة، منخفض جداً، مما يجعل من الممكن تشكيل مهبط ذو فعالية في توفير الطاقة.
عند النظر إلى الخطوة الكبرى في تصنيع الجهاز، والتي هي علمية الطلي الرطب، تعتبر منخفضة التكلفة، لكنها مستقرة من أجل تصنيع طبقات رقيقة متجانسة على مساحات واسعة، مما يجعل هذه الأداة واعدة في تحسين الاضاءة في الحياة اليومية للبشر، وتخفيض كمية ثاني اوكسيد الكربون على سطح الأرض.