31340

تبديل انرژي به كمك نانوترانزيستورهاي يوني هوشمند

كارشناسي ارشد

مهندسي شيمي

1401

1403/07/14

سيد نظام الدين اشرفي زاده

استاد مشاور نداشتم

مهدسي شيمي

توليد انرژي يكي از چالش‌هاي مهم و اساسي حال حاضر است و با توجه به محدود شدن استفاده از سوخت‌هاي فسيلي، يافتن منابع جايگزين انرژي به يكي از داغ‌ترين موضوعات تحقيقاتي براي محققان تبديل شده است. يكي از جديدترين روش‌هاي توليد انرژي، استفاده از اختلاف غلظت منابع مختلف آبي است. زماني كه دو سيال با اختلاف غلظت در دو سمت يك غشاء نانوفلوئيديكي قرار داشته باشند به واسطه انرژي حاصل از اختلاط سيالات قادر به توليد انرژي هستند. با توجه به هزينه‌ها و محدوديت‌هاي مطالعه تجربي اين سامانه‌ها، شبيه‌سازي جهت يافتن حالت‌هاي بهينه و مطالعه رفتار اين سامانه‌ها امري ضروري مي‌باشد. در اين پژوهش به بررسي تأثير عملكرد نانوترانزيستور يوني بر رفتار انتقال يون با رويكرد توليد انرژي پرداخته شده است. براي اين كار دو نوع نانوترانزيستور يوني مختلف با آرايش مثبت-منفي-مثبت (PNP) و منفي-مثبت-منفي (NPN) تحت يك هندسه‌ متقارن استوانه‌اي شكل در نظر گرفته شد. در اين هندسه‌ها با اتخاذ يك رويكرد محاسبات عددي به روش المان محدود، براي معادلات پواسون-نرنست-پلانك و ناوير-استوكس در حالت پايا تأثير آرايش‌هاي مختلف، نسبت غلظت و دانسيته بار لايه‌ي نرم بر توليد انرژي با در نظر گرفتن اثر جدايش يوني در سطوح نرم مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه: آرايشNPN نسبت به آرايش PNP عملكرد بهتري در تمام مشخصات مرتبط با توليد انرژي نشان مي‌دهد، توضيح آن كه به دليل تحرك بالاتر كاتيون‌ها نسبت به آنيون‌ها و با توجه به چينش قطب‌هاي مثبت و منفي لايه نرم در دو ساختار، ميزان جاذبه الكترواستاتيكي در ساختار NPN بالاتر ازساختار PNP است. به‌عنوان مثال با در نظر گرفتن جدايش يوني (η_ε=η_D=0.8,η_μ=2) در نسبت غلظت C_H⁄C_L =1000 براي دو ساختار PNP و NPN با افزايش دانسيته بار لايه نرم از N_PEL⁄N_A =25 mol〖/m〗^3 به N_PEL⁄N_A =100mol〖/m〗^3 حداكثر توان توليد شده به ترتيب از 35 pW به 43 pW براي ساختار PNP و ترتيب از 40 pW به 56 pW براي ساختار NPN رسيد. به‌عبارت با توجه به حداكثر توان توليدي ميزان دانسيته توان براي دو ساختار PNP و NPN به ترتيب برابر 49.21 W/m^2 و 64.09 W/m^2است. ديگر نتايج حاكي از آن است كه ساختار نانوترانزيستور نسبت به همتايان تك يا دو قطبي خود به علت قابليت تقويت جريان يوني ضعيف (سوئيچينگ جريان) مي‌توانند عملكرد بهتري از خود نشان دهند.

1403/07/24

Energy Conversion Utilizing Smart Ionic Nanotransistors

10/6/2025 12:00:00 AM

Energy production is a crucial and essential difficulty in modern times. Given the limited availability of fossil fuels, researchers are actively exploring alternative sources of energy. One of the most recent approaches to energy generation involves using the disparity in concentration between several water sources. When two fluids of disparate concentrations are present on opposite sides of a nanofluidic membrane, they can generate energy through the process of fluid mixing. Given the expenses and constraints associated with doing experimental studies on complex systems, it is imperative to utilize simulation in order to identify the most effective modes and analyze the behavior of these systems. This study examines the impact of ion nanotransistor performance on ion transport behavior using an energy generation approach. For this study, two distinct variations of ion nanotransistors were examined. The variations included PNP and NPN arrangements, both operating within a cylindrical symmetrical geometry. These geometries involve the use of the finite element method to numerically calculate the Poisson-Nernst-Planck and Navier-Stokes equations in a steady state. The goal is to analyze the impact of various factors such as different arrangements, concentration ratio, and charge density of the soft layer on energy production, while also considering the effect of ion separation. The investigation was conducted on soft surfaces. The results indicate that the NPN arrangement outperforms the PNP arrangement in all energy production-related characteristics. This can be attributed to the higher mobility of cations compared to anions, as well as the arrangement of positive and negative poles in the soft layer of the two structures, resulting in a greater level of attraction. The electrostatic potential in an NPN structure is greater than in a PNP structure. For instance, let's assume the ion partitioning (η_ε=η_D=0.8 ,η_μ=2) in the concentration ratio of C_H⁄C_L =1000 for two PNP and NPN structures. We will increase the charge density of the soft layer from N_PEL⁄N_A =25 mol〖/m〗^3to N_PEL⁄N_A =100 mol〖/m〗^3. The PNP arrangements achieved a maximum power output ranging from 35 pW to 43 pW, while the NPN arrangements achieved a maximum power output ranging from 40 pW to 56 pW. In other words, according to the maximum output power, the power density for PNP and NPN structures is 49.21 W/m^2 and 64.09 W/m^2, respectively.The findings suggest that the nanotransistor configuration has superior performance compared to both unipolar and bipolar alternatives, primarily because it can effectively amplify the feeble ion current (current switching).

دانسيته بار سطحي , توليد انرژي , بازدهي تبديل انرژي , نانوترانزيستور يوني , لايه پلي‌الكتروليت دو قطبي , اثر جدايش يوني

Surface charge density , Energy genration , Energy conversion efficiency , Ionic nanotransistor , Bipolar polyelectrolyte layer , Ionic partitioning effect

Sogand Jafari

Seyed Nezameddin Ashrafizadeh