Благодаря разнице в солености морской и пресной воды береговые линии Мирового океана обладают огромным потенциалом в качестве неиспользуемого источника энергии. Группа исследователей из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн недавно представила революционное нанофлюидное устройство, способное преобразовывать ионные потоки в полезную электроэнергию. Эта инновация способна произвести революцию в области возобновляемой энергетики и открыть новые возможности для производства электроэнергии.
Группа специалистов под руководством профессора Жана-Пьера Лебуртона поставила перед собой задачу исследовать, сможет ли наноразмерное твердотельное устройство извлекать энергию из ионного потока. Их разработка, опубликованная в журнале Nano Energy, превзошла все ожидания и продемонстрировала многообещающий потенциал для различных энергетических приложений.
Когда встречаются два водоема с разным уровнем солености, например, река сливается с океаном, молекулы соли естественным образом перетекают из областей с более высокой концентрацией в области с более низкой концентрацией. Этот поток состоит из электрически заряженных частиц, называемых ионами, которые можно использовать для получения энергии.
Исследователи разработали наноразмерное полупроводниковое устройство, в котором используется явление, известное как "кулоновское сопротивление" между текущими ионами и электрическими зарядами внутри устройства. Когда ионы проходят через узкий канал в устройстве, электрические силы заставляют заряды перемещаться с одной стороны на другую, создавая напряжение и электрический ток.
В ходе моделирования своего устройства исследователи сделали два удивительных открытия. Во-первых, они обнаружили, что кулоновское сопротивление возникает не только за счет сил притяжения между противоположными электрическими зарядами, но и за счет сил отталкивания. При этом в эффект сопротивления вносят вклад как положительно, так и отрицательно заряженные ионы.
Кроме того, в ходе исследования был обнаружен эффект усиления. Благодаря значительной массе движущихся ионов по сравнению с зарядами устройства, ионы придают зарядам значительный импульс, усиливая лежащий в их основе ток.
Еще одним примечательным результатом стало то, что эти эффекты не зависят от конкретной конфигурации канала и выбора материалов, если диаметр канала достаточно узкий для обеспечения близости между ионами и зарядами. Такая универсальность открывает дорогу для дальнейших исследований и оптимизации конструкции устройства.
В настоящее время исследователи находятся в процессе патентования своих результатов и изучают возможности масштабирования массивов таких нанофлюидных устройств для практической выработки электроэнергии. По их мнению, плотность мощности массива устройств может сравняться или даже превзойти плотность мощности солнечных батарей. Кроме того, возможности применения этих устройств выходят за рамки производства энергии и могут быть использованы в таких областях, как биомедицинское зондирование и нанофлюидика.
Профессор Жан-Пьер Лебуртон выразил свой восторг по поводу проекта, заявив: "Наш проект превзошел наши ожидания и во многом удивил нас". Он считает, что этот прорыв может привести к значительным достижениям в области возобновляемой энергетики и других научных областях.
Ведущий автор исследования и аспирант группы Лебуртона Мингье Сьонг (Mingye Xiong) обратил внимание на эффект усиления, наблюдаемый при моделировании. Сьонг подчеркнул потенциал этой технологии: "Поскольку движущиеся ионы настолько массивны по сравнению с зарядами устройства, ионы придают зарядам большой импульс, усиливая базовый ток".
