Китайці створили з нанотрубок гідроелектрогенератор для мікроканалів

Використовуючи впорядкований масив з вуглецевих нанотрубок, китайські хіміки створили мікрофлюїдний гідроелектрогенератор. Вчені стверджують, що такий пристрій зможе використовуватися як джерела електроенергії, наприклад, у кровоносних судинах. Робота опублікована в.

Використання електрокінетичних явищ - один з найбільш популярних способів керувати течією рідини і рухом частинок в мікро- і наноканалах. Через різну адсорбцію іонів різних знаків, на практично будь-якій поверхні, що знаходиться всередині розчину електроліту, утворюється подвійний електричний шар. Взаємодія між рухомою частиною цього шару і рідиною може призводити до різноманітних кінетичних явищ, наприклад, електроосмосу (при якому зовнішнє електричне поле збуджує перебіг рідини) або електрофорезу (при якому зовнішнє поле збуджує рух частинок).

У своїй новій роботі китайські хіміки для створення гідроелектрогенератора всередині мікроканалу запропонували використовувати ще одне електрокінетичне явище - виникнення потенціалу течії. Це явище назад електроосмосу: поточна уздовж нерухомої зарядженої стінки в'язка рідина захоплює з собою іони електроліту, що знаходяться в дифузному шарі. В результаті вони накопичуються в одній частині каналу, що призводить до появи різниці потенціалів.

Як матеріал поверхні електрогенератора вчені використовували волокно з вуглецевих нанотрубок. Такий вибір був зроблений через те, що, крім необхідних електричних властивостей, вони володіють низькою щільністю і високою механічною стійкістю. Для створення пристрою вчені нанесли на полімерне ядро циліндричної форми кілька впорядкованих шарів нанотрубок 18 нанометрів кожен, так що сумарна товщина склала 260 нанометрів. Всю цю систему помістили в середину циліндричного каналу діаметром 800 мікрон.

Крім цього, для збільшення ефективності між шарами з нанотрубок хіміки додатково помістили частинки мезопористого вуглецю з порами розміру 3-5 нм. Завдяки цьому вдалося збільшити ефективну площу поверхні, і, відповідно, сумарний адсорбований заряд.

В результаті вченим вдалося домогтися напруги в 341 мілівольт для двадцятисантиметрового генератора. При цьому напруга лінійно зростає зі збільшенням довжини пристрою або концентрації електроліту. Також було показано, що при необхідності такі генератори можна складати в ланцюги, з'єднуючи їх послідовно або паралельно. За твердженням вчених, ефективність конверсії енергії в розробленому ними генераторі досягає більше 23 відсотків, що значно перевершує дані для інших волоконних електрогенераторів, зокрема, на основі сонячних елементів. При цьому ефективність пристрою не падає навіть за 1 мільйон циклів.

Вчені стверджують, що розроблений ними пристрій може використовуватися і, наприклад, у кровоносних судинах. Таким чином, прокачуючи кров, серце зможе самостійно підтримувати роботу електроустроїв, що вводяться в кров.

Нещодавно ми писали і про інші приклади використання електрокінетичних явищ у мікрофлюїдиці. За допомогою елетрофорезу в нанопорах, наприклад, можна не тільки ділити поодинокі молекули біополімерів, а й визначати їх форму і просторову орієнтацію. А завдяки електроосмосу можна розділяти за розмірами біологічні клітини та інші частинки з нейтральною плавучістю.