Սուպերկոնդենսատորները սարքի ճիշտ անվանում են, որոնք կարող են էներգիա պահել և մատակարարել ավելի արագ, քան սովորական մարտկոցները: Նրանք մեծ պահանջարկ ունեն հավելվածների համար, այդ թվում՝ էլեկտրական մեքենաների, անլար հեռահաղորդակցության և բարձր հզորությամբ լազերների համար:

Բայց այս կիրառությունները իրականացնելու համար գերկոնդենսատորներին անհրաժեշտ են ավելի լավ էլեկտրոդներ, որոնք միացնում են գերկոնդենսատորը սարքերին, որոնք կախված են իրենց էներգիայից: Այս էլեկտրոդները պետք է լինեն և՛ ավելի արագ, և՛ էժան՝ լայնածավալ պատրաստման համար, ինչպես նաև կարող են ավելի արագ լիցքավորել և լիցքաթափել իրենց էլեկտրական բեռը: Վաշինգտոնի համալսարանի ինժեներների թիմը կարծում է, որ իրենք մշակել են գերկոնդենսատորային էլեկտրոդային նյութերի արտադրության գործընթաց, որը կբավարարի այս խիստ արդյունաբերական և օգտագործման պահանջները:

Հետազոտողները՝ UW-ի նյութերի գիտության և ճարտարագիտության ասիստենտ Պիտեր Պաուզաուսկիի գլխավորությամբ, հուլիսի 17-ին Nature Microsystems and Nanoengineering ամսագրում հրապարակել են հոդված՝ նկարագրելով իրենց սուպերկոնդենսատորի էլեկտրոդը և դրա պատրաստման արագ, էժան եղանակը: Նրանց նոր մեթոդը սկսվում է ածխածնի հարուստ նյութերից, որոնք չորացվել են ցածր խտության մատրիցով, որը կոչվում է աերոգել: Այս օդագելն ինքնուրույն կարող է հանդես գալ որպես չմշակված էլեկտրոդ, սակայն Պաուզաուսկիի թիմն ավելի քան կրկնապատկել է դրա հզորությունը, ինչը էլեկտրական լիցք պահելու նրա կարողությունն է:

Այս էժան սկզբնական նյութերը, զուգորդված պարզեցված սինթեզի գործընթացի հետ, նվազագույնի են հասցնում արդյունաբերական կիրառման երկու ընդհանուր խոչընդոտները՝ արժեքը և արագությունը:

«Արդյունաբերական կիրառություններում ժամանակը փող է», - ասաց Պաուզաուսկին: «Մենք կարող ենք այս էլեկտրոդների մեկնարկային նյութերը պատրաստել ժամերով, այլ ոչ թե շաբաթներով: Եվ դա կարող է զգալիորեն նվազեցնել սինթեզի արժեքը՝ բարձր արդյունավետությամբ գերկոնդենսատորային էլեկտրոդների պատրաստման համար»:

Արդյունավետ գերկոնդենսատորային էլեկտրոդները սինթեզվում են ածխածնի հարուստ նյութերից, որոնք նույնպես ունեն բարձր մակերես: Վերջին պահանջը կարևոր է, քանի որ գերկոնդենսատորները էլեկտրական լիցքը պահում են յուրահատուկ եղանակով: Մինչ սովորական մարտկոցը կուտակում է էլեկտրական լիցքերը իր ներսում տեղի ունեցող քիմիական ռեակցիաների միջոցով, սուպերկոնդենսատորը դրա փոխարեն պահում և առանձնացնում է դրական և բացասական լիցքերը անմիջապես իր մակերեսի վրա:

«Գերկոնդենսատորները կարող են շատ ավելի արագ գործել, քան մարտկոցները, քանի որ դրանք չեն սահմանափակվում ռեակցիայի արագությամբ կամ կարող են ձևավորվել կողմնակի արտադրանքներով», - ասում է համահեղինակ Մեթյու Լիմը, որը UW-ի դոկտորանտ է Նյութերի գիտության և ճարտարագիտության բաժանմունքում: «Գերկոնդենսատորները կարող են շատ արագ լիցքավորվել և լիցքաթափվել, այդ իսկ պատճառով նրանք հիանալի են հաղորդում էներգիայի այս «զարկերակները»:

«Նրանք հիանալի կիրառություններ ունեն այնպիսի պարամետրերում, որտեղ մարտկոցն ինքնուրույն շատ դանդաղ է աշխատում», - ասում է առաջատար հեղինակ Մեթյու Քրեյնը, որը UW Քիմիական ճարտարագիտության բաժնի դոկտորանտ է: «Այն պահերին, երբ մարտկոցը չափազանց դանդաղ է էներգիայի պահանջները բավարարելու համար, մեծ մակերեսով էլեկտրոդով գերկոնդենսատորը կարող է արագ «ներխուժել» և լրացնել էներգիայի դեֆիցիտը»:

Արդյունավետ էլեկտրոդի համար բարձր մակերեսը ստանալու համար թիմն օգտագործեց աերոգելներ: Սրանք թաց, գելանման նյութեր են, որոնք անցել են չորացման և տաքացման հատուկ բուժում՝ իրենց հեղուկ բաղադրիչները օդով կամ այլ գազով փոխարինելու համար: Այս մեթոդները պահպանում են գելի 3-D կառուցվածքը՝ տալով նրան բարձր մակերես և չափազանց ցածր խտություն: Դա նման է Jell-O-ից ամբողջ ջուրը հանելուն առանց կծկվելու:

«Մեկ գրամ օդագելը պարունակում է մոտավորապես այնքան մակերես, որքան մեկ ֆուտբոլի դաշտը», - ասաց Պաուզաուսկին:

Կռունկը աերոգելներ է պատրաստել գելանման պոլիմերից, որը կրկնվող կառուցվածքային միավորներով նյութ է, որը ստեղծվել է ֆորմալդեհիդից և ածխածնի վրա հիմնված այլ մոլեկուլներից: Սա ապահովում էր, որ նրանց սարքը, ինչպես այսօրվա գերկոնդենսատորային էլեկտրոդները, բաղկացած կլինի ածխածնի հարուստ նյութերից:

Նախկինում Լիմը ցույց էր տվել, որ գրաֆենը, որը ընդամենը մեկ ատոմի հաստությամբ ածխածնի թիթեղ է, գելին ավելացրել է ստացված օդագելը գերկոնդենսատորային հատկություններով: Սակայն Լիմը և Քրեյնը պետք է բարելավեին աերոգելի աշխատանքը և սինթեզի գործընթացը ավելի էժան և դյուրին դարձնեին:

Լիմի նախորդ փորձարկումներում գրաֆենի ավելացումը չի բարելավել աերոգելի հզորությունը: Այսպիսով, նրանք փոխարենը բեռնեցին աերոգելները մոլիբդենի դիսուլֆիդի կամ վոլֆրամի դիսուլֆիդի բարակ թիթեղներով: Երկու քիմիական նյութերն էլ այսօր լայնորեն օգտագործվում են արդյունաբերական քսանյութերում:

Հետազոտողները երկու նյութերն էլ մշակել են բարձր հաճախականության ձայնային ալիքներով, որպեսզի դրանք բաժանեն բարակ թիթեղների և ներառեն ածխածնով հարուստ գելային մատրիցում: Նրանք կարող էին սինթեզել ամբողջությամբ լիցքավորված թաց գելը երկու ժամից պակաս ժամանակում, մինչդեռ մյուս մեթոդները շատ օրեր կպահանջեին:

Չորացրած, ցածր խտության աերոգելը ձեռք բերելուց հետո նրանք այն համակցեցին սոսինձների և ածխածնով հարուստ մեկ այլ նյութի հետ՝ ստեղծելով արդյունաբերական «խմոր», որը Լիմը կարող էր պարզապես փաթաթել ընդամենը մի քանի հազարերորդ դյույմի հաստությամբ թիթեղների: Նրանք խմորից կտրեցին կես դյույմանոց սկավառակներ և հավաքեցին դրանք մետաղադրամով մարտկոցների պարզ պատյանների մեջ՝ ստուգելու նյութի արդյունավետությունը որպես գերկոնդենսատորի էլեկտրոդ:

Նրանց էլեկտրոդները ոչ միայն արագ էին, պարզ և հեշտ սինթեզվող, այլև դրանց հզորությունը առնվազն 127 տոկոսով ավելի մեծ էր, քան միայն ածխածնով հարուստ օդագելը:

Լիմը և Քրեյնը ակնկալում են, որ մոլիբդենի դիսուլֆիդի կամ վոլֆրամի դիսուլֆիդի նույնիսկ ավելի բարակ թիթեղներով բեռնված աերոգելները, որոնց հաստությունը մոտ 10-ից 100 ատոմ է, ավելի լավ արդյունք ցույց կտան: Բայց նախ նրանք ուզում էին ցույց տալ, որ բեռնված աերոգելներն ավելի արագ և էժան կլինեն սինթեզելու համար, ինչը անհրաժեշտ քայլ է արդյունաբերական արտադրության համար: Հաջորդը գալիս է ճշգրտումը:

Թիմը կարծում է, որ այս ջանքերը կարող են օգնել գիտության առաջընթացին նույնիսկ գերկոնդենսատորային էլեկտրոդների ոլորտից դուրս: Նրանց աերոգելով կախված մոլիբդենի դիսուլֆիդը կարող է բավականաչափ կայուն մնալ ջրածնի արտադրությունը կատալիզացնելու համար: Եվ դրանց մեթոդը՝ նյութերն արագորեն թակարդելու աերոգելներում, կարող է կիրառվել բարձր հզորությամբ մարտկոցների կամ կատալիզի համար: