คาร์บอนนาโนทิวบ์แบบบิด กักเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตลิเทียมไอออน 3 เท่า

นักวิจัยญี่ปุ่นและสหรัฐฯ ร่วมมือกันเพื่อพัฒนาคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบบิด (Twisted Carbon Nanotubes หรือ ท่อนาโนคาร์บอนแบบบิด) ที่สามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมาตรฐานถึง 3 เท่า ซึ่งนวัตกรรมนี้อาจปูทางไปสู่การปลูกถ่ายอุปกรณ์ทางการแพทย์เข้าสู่ร่างกาย และเซนเซอร์ยุคใหม่ที่มีน้ำหนักเบา กะทัดรัด และปลอดภัยมากขึ้น

คาร์บอนนาโนทิวบ์ เป็นโครงสร้างขนาดนาโนเมตร (หนึ่งในพันล้านของเมตร เล็กจนตามนุษย์ไม่สามารถมองเห็นได้) ที่มักจะทำมาจากอะตอมคาร์บอนชั้นเดียว แผ่นคาร์บอนเหล่านี้เรียกอีกอย่างว่ากราฟีน ซึ่งมีน้ำหนักเบามากแต่แข็งแรงกว่าเหล็ก คุณสมบัติที่ดีเช่นนี้นักวิทยาศาสตร์จึงได้ประยุกต์ใช้ในหลายนวัตกรรม

ซานจีฟ กุมาร์ อุจเจน (Sanjeev Kumar Ujjain) ผู้นำการวิจัย ทำการศึกษาเกี่ยวกับการกักเก็บพลังงานของคาร์บอนนาโนทิวบ์ตั้งแต่ตอนที่เขาศึกษาอยู่ที่มหาวิทยาลัยชินชู ประเทศญี่ปุ่น จนกระทั่งปี 2022 เขาย้ายไปศึกษาที่มหาวิทยาลัยแมริแลนด์ บัลติมอร์เคาน์ตี้ (UMBC) แต่เขายังคงทำการวิจัยต่อเนื่อง โดยจุดเริ่มต้นได้รับแรงบันดาลใจจากการทำงานของสปริงขดเชิงกล ยกตัวอย่างเช่นในรถไขลาน ซึ่งไขลานด้วยลูกบิดเป็นการกักเก็บพลังงานกลให้เป็นพลังงานศักย์ แล้วปล่อยออกมาเพื่อทำให้รถของเล่นพุ่งไปข้างหน้าได้ สปริงขดเชิงกลขนาดเล็กยังใช้ในนาฬิกาข้อมือแบบไขลานสมัยก่อน ซึ่งเมื่อนาฬิกาใกล้จะหมดพลังงานศักย์แล้วก็จะทำให้นาฬิกาแสดงเวลาที่ไม่ถูกต้อง

ซานจีฟ กุาร์ อุจเจน ต้องการทดสอบว่า ระบบคล้าย ๆ กับสปริงขดนี้จะสามารถทำงานได้ในระดับที่เล็กกว่าหรือไม่ และเขาก็เลือกทดสอบกับคาร์บอนนาโนทิวบ์ ทีมงานของเขาที่ศูนย์เทคโนโลยีเซนเซอร์ขั้นสูง (CAST) ได้นำคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีจำหน่ายในเชิงพาณิชย์มามัดให้เป็นเชือก ดึงและบิดให้เป็นเส้นเดียว จากนั้นเคลือบด้วยสารต่าง ๆ เพื่อเพิ่มความแข็งแรงและความยืดหยุ่น เมื่อบิดเชือกแล้วคลายออกในภายหลัง คาร์บอนนาโนทิวบ์ก็จะส่งพลังงานออกมา 

นักวิจัยพบว่าคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบบิดสามารถกักเก็บพลังงานได้มากกว่าสปริงเหล็กถึง 15,000 เท่าต่อหน่วยมวล ทั้งนี้ สปริงเหล็กไม่ใช่คู่เปรียบเทียบที่เป็นเป้าหมายของนักวิจัย แต่เป็นแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน ซึ่งมีความหนาแน่นของพลังงานสูงต่างหาก และงานวิจัยนี้ก็สามารถพิสูจน์ได้ว่า คาร์บอนนาโนทิวบ์มีความหนาแน่นของการเก็บพลังงานได้สูงกว่าแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนมาตรฐานถึง 3 เท่า 

นอกจากนี้ แบตเตอรี่ลิเทียมไอออนยังมีข้อจำกัดคือ เมื่ออุณหภูมิต่างกัน จะส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ คือเมื่ออุณหภูมิลด ประสิทธิภาพจะลดลง และหากอุณหภูมิสูงมากเกินไป ก็อาจจะเป็นการเร่งการสึกหรอได้ ในขณะเดียวกันคาร์บอนนาโนทิวบ์แบบบิดกลับสามารถทำงานกักเก็บพลังงานได้มีประสิทธิภาพสม่ำเสมอในช่วงอุณหภูมิที่กว้างตั้งแต่ -60 องศาเซลเซียส ถึง 100 องศาเซลเซียส

ที่สำคัญคือเทคโนโลยีนี้ ส่วนใหญ่เน้นการทำงานแบบกลไกมากกว่าไฟฟ้าเคมี ดังนั้นมันจึงอาจจะปลอดภัยมากกว่าสำหรับอุปกรณ์ปลูกถ่ายลงในร่างมนุษย์ ซึ่งเว็บไซต์ Interesting Engineering เคยรายงานว่านักวิทยาศาสตร์กำลังมองวิธีการจ่ายพลังงานให้อุปกรณ์ปลูกถ่ายแบบใหม่ นอกเหนือจากแบตเตอรี่

ทั้งนี้นวัตกรรมคาร์บอนนาโนทิวบ์ยังถือว่าอยู่ในจุดเริ่มต้นเท่านั้น หากจะนำไปใช้งานกับการปลูกถ่ายทางการแพทย์ต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมอีกมาก แต่ปัจจุบันทีมวิจัยก็กำลังสร้างเซนเซอร์ต้นแบบเพื่อทดสอบนาโนทิวบ์คาร์บอนแบบบิดในการใช้เป็นแหล่งพลังงาน

ซานจีฟ กุาร์ อุจเจน กล่าวว่า “การวิจัยครั้งนี้แสดงให้เห็นว่านาโนทิวบ์คาร์บอนแบบบิด มีศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในการกักเก็บพลังงานเชิงกล และเรารู้สึกตื่นเต้นที่จะได้แบ่งปันข่าวนี้กับคนทั่วโลก”

งานวิจัยดังนี้ได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Nanotechnology ฉบับวันที่ 16 เมษายน 2024

ที่มาข้อมูล InterestingEngineering, Nature

ที่มารูปภาพ Britannica