اخیرا پژوهشگران ایالات متحده آمریکا و چین در یک همکاری مشترک، نانوکامپوزیت جدیدی ابداع کردهاند که میتواند از جریان آب برای تجزیه آلایندههای آلی استفاده کند. این نوع نانوکامپوزیت از اثر پیزوالکتریک که بهطور گسترده در نانوژنراتورها، سنسورها و ترانزیستورها کاربرد دارد، استفاده میکند و به موجب آن با تغییر شکل مواد، سبب القای میدان الکتریکی میشود.
Zhenfeng Bian از دانشگاه شانگهای چین اظهار کرد: "استفاده از اثر پیزوالکتریک در پالایشهای زیستمحیطی، اخیرا بسیار مورد توجه قرار گرفته است." Bian و همکارانش در موسسه نانوفناوری و نانوسیستمهای پکن و موسسه فناوری گرجستان، کامپوزیتی طراحی کردهاند که شامل آرایههای عمودی نانومیلههای ZnO است. در این نوع از نانوکامپوزیت، نانومیلههای ZnO که دارای خواص پیزوالکتریک و فوتوکاتالیستی عالی هستند، بر روی یک فوم سه بعدی از نیکل (Ni) رشد کردهاند. تغییر شکل نانومیلههای ZnO سبب ایجاد یک میدان الکتریکی میشود و از این میدان برای جداسازی فوتوالکترونها و حفرهها میتوان استفاده کرد. این امر باعث کاهش سرعت بازترکیب و افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی میگردد.
Bian میگوید: "ما برای نخستین بار، فوتوکاتالیستهای پیزویی را گزارش کردیم که از آرایههای عمودی رشد یافته ZnO بر روی فوم سهبعدی Ni ساخته شدهاند و فعالیت کاتالیستی را در تخریب آلایندههای آلی در فاضلابها افزایش میدهند.
تا به امروز عمدتا، از نیروهای خارجی نظیر اصطکاک و یا امواج التراسونیک برای تغییر شکل ZnO و تولید میدان پیزوالکتریک استفاده شده است. اما نانوکامپوزیت جدید میتواند از انواع دیگر انرژیهای مکانیکی، مانند جریان آب، جزر و مد و یا حتی باد برای تولید میدان پیزوالکتریک استفاده کند". Bian اشاره داشت: "با در نظر گرفتن کاربردهای بالقوه فوتوکاتالیستی در تصفیه آب و یا هوا، فوتوکاتالیستهای پیزویی با استفاده از جریان آب یا باد میتوانند فرصتهای کاربردی و عملیاتی را ارائه دهند."
هنگامی که کامپوزیت جدید در مسیر جریان آب قرار میگیرد، جریانهای توربولان سبب تغییر شکل نانومیلهها میشود و یک میدان پیزوالکتریک در سطح ایجاد میکند. همزمان، گردابهای کوچک در بستر سهبعدی متخلخل کامپوزیت، موجب افزایش تغییر شکل نانومیلهها شده و اثر پیزوالکتریک را تقویت میکند. در عین حال، تابش اشعه ماوراء بنفش نانومیلههای نیمههادی ZnO، سبب ایجاد فوتوالکترونها و حفرهها شده که به وسیله میدان پیزوالکتریکی برای تولید جریان فوتونی جدا میشوند. افزایش سرعت جریان توربولان، اثر فوتوکاتالیستی را تشدید میکند و موجب افزایش جریان فوتونی میشود.
اثر فوتوکاتالیستی میتواند آلایندههای شیمیایی آلی موجود در آب نظیر رودامین رنگی B (RhB) را کاهش دهد. محققان معتقدند نتایج آنها نشاندهنده یک روش جدید برای طراحی فوتوکاتالیستها در کاربردهای عملیاتی مانند تصفیه فاضلابهاست.
Bian افزود: "ما قصد داریم دستگاههای کوچکی که رفتار فاضلابهای واقعی را شبیهسازی میکنند طراحی کنیم و برای کاربرد عملیاتی هدف نهاییمان، این دستگاهها را گسترش دهیم."