Наноустройства генерируют энергию за счет испарения водопроводной и морской воды.

Испарение — это естественный процесс, настолько повсеместный, что большинство из нас воспринимают его как нечто само собой разумеющееся. Фактически, почти половина солнечной энергии, достигающей Земли, испаряется. С 2017 года исследователи работают над использованием энергетического потенциала испарения с помощью гидроэлектрического (ВН) эффекта, который позволяет собирать электричество, когда жидкость проходит по заряженной поверхности наноустройства. Испарение создает непрерывный поток внутри наноканалов внутри этих устройств, которые действуют как пассивные насосные механизмы. Этот эффект также наблюдается в крошечных капиллярах растений, где перенос воды происходит благодаря сочетанию капиллярного давления и естественного испарения.

Хотя в настоящее время существуют гидроэлектрические устройства, очень мало функционального понимания физических условий и явлений, которые управляют производством высоковольтной энергии на наноуровне. Это информационный пробел, говорит Джулия Тальябуэ, руководитель Лаборатории нанонауки в области энергетических технологий (Л.Нет) в Инженерном колледже, и его хотел заполнить докторант Тарик Анвар. Они воспользовались сочетанием экспериментов и мультифизического моделирования для характеристики потоков жидкости, потоков ионов и электростатических эффектов, возникающих в результате взаимодействия твердого тела и жидкости, с целью улучшения высоковольтных устройств.

«Благодаря нашей новой, строго контролируемой платформе, это первое исследование, позволяющее количественно оценить эти фотоэлектрические явления, подчеркнув важность различных межфазных взаимодействий. Но в процессе мы также пришли к ключевому выводу: фотоэлектрические устройства могут работать в больших масштабах. «широкий диапазон солености, что противоречит ранее существовавшему пониманию того, что для достижения наилучших результатов требуется вода высокой чистоты», — говорит Тальябуэ.

исследование LNET Недавно опубликовано В ячейковом магазине пресс-устройство.

Модель мультифизического детектора

Устройство исследователей представляет собой первое гидроэлектрическое применение метода, называемого коллоидной наносферной литографией, которое позволило им создать гексагональную сеть точно расположенных кремниевых наностолбиков. Расстояние между наностолбиками создает идеальные каналы для испарения жидких образцов и может быть точно настроено, чтобы лучше понять эффекты удержания жидкости и области контакта твердого тела и жидкости.

«В большинстве жидких систем, содержащих растворы солей, имеется одинаковое количество положительных и отрицательных ионов. Однако, когда вы ограничиваете жидкость наноканалом, останутся только ионы с полярностью, противоположной поверхностному заряду», — объясняет Анвар. «Это означает, что если вы позволите жидкости течь через наноканал, вы создадите ток и напряжение».

«Это связано с нашим ключевым открытием о том, что химический баланс поверхностного заряда наноустройства можно использовать для продления работы гидроэлектрических устройств с помощью солемера», — добавляет Тальябуэ. «Фактически, когда концентрация жидких ионов увеличивается, поверхностный заряд наноустройства также увеличивается. В результате мы можем использовать более крупные каналы для жидкости при работе с жидкостями с более высокой концентрацией. Это упрощает изготовление устройств для использования с водопроводной водой или морская вода». «В отличие от простой воды».

Вода, вода повсюду

Поскольку испарение может происходить непрерывно в широком диапазоне температур и влажности – и даже ночью – существует множество интересных потенциальных применений для более эффективных высоковольтных устройств. Исследователи надеются изучить эту возможность при поддержке Швейцарского национального научного фонда. Начать получение стипендиицелью которого является разработка «совершенно новой парадигмы утилизации отработанного тепла и производства возобновляемой энергии в больших и малых масштабах», включая прототип в реальных условиях на Женевском озере.

А поскольку высоковольтные устройства теоретически могут питаться везде, где есть жидкость или даже влага, например пот, их также можно использовать для питания датчиков подключенных устройств, от смарт-телевизоров до носимых устройств для здоровья и фитнеса. Благодаря опыту LNET в области систем сбора и хранения фотоэлектрической энергии, Тальябуэ также стремится узнать, как эффекты света и фототермического излучения можно использовать для контроля поверхностных зарядов и скорости испарения в высоковольтных системах.

Наконец, исследователи также видят важную синергию между высоковольтными системами и производством чистой воды.

«Естественное испарение используется для запуска процессов опреснения, где пресную воду можно получить из соленой воды путем конденсации пара, образующегося на испаряющей поверхности. Теперь вы можете представить себе использование высоковольтной системы для производства чистой воды и одновременного использования электроэнергии. время», — объясняет Анвар.