Материал, генерирующий электричество из окружающей среды
Инженеры Массачусетского технологического института открыли новый способ производства электричества с использованием крошечных углеродных частиц, которые могут создавать ток, просто взаимодействуя с окружающей их жидкостью. По словам исследователей, органический растворитель, вытягивает электроны из частиц, генерируя ток, который можно использовать для запуска химических реакций или для питания микро- или наноразмерных роботов.
«И механизм, и способ производства энергии совершенно новые. Эта технология интригует, потому что всё, что вам нужно сделать, это пропустить растворитель через слой этих частиц. Это позволяет выполнять электрохимию, но без проводов». В новом исследовании, описывающем это явление, исследователи показали, что могут использовать этот электрический ток для запуска реакции, известной как окисление спирта — органической химической реакции, которая важна в химической промышленности.
Новое открытие стало результатом ранних исследований углеродных нанотрубок, которые проводил Страно. Эти полые трубки, состоящие из решетки атомов углерода, обладают уникальными электрическими свойствами. В 2010 году Страно впервые продемонстрировал, что углеродные нанотрубки могут генерировать «волны термоЭДС». Когда углеродная нанотрубка покрыта слоем топлива, движущиеся импульсы тепла или волны термоЭДС перемещаются по трубке, создавая электрический ток. Эта работа привела Страно и его коллег к открытию родственной особенности углеродных нанотрубок. Они обнаружили, что, когда часть нанотрубки покрыта тефлоноподобным полимером, это создает асимметрию, которая позволяет электронам течь от покрытой к непокрытой части трубки, генерируя электрический ток. Эти электроны можно вытянуть, погрузив частицы в растворитель.
Чтобы использовать эту особую способность, исследователи создали частицы, генерирующие электричество, измельчая углеродные нанотрубки и превращая их в лист материала, похожего на бумагу. Одна сторона каждого листа была покрыта тефлоноподобным полимером, а затем исследователи вырезали мелкие частицы, которые могут иметь любую форму и размер. Для этого исследования они сделали частицы размером 250 на 250 микрон. Когда эти частицы погружаются в органический растворитель, такой как ацетонитрил, растворитель прилипает к непокрытой поверхности частиц и начинает вытягивать из них электроны. «Растворитель уносит электроны, и система пытается уравновеситься, перемещая их. Здесь нет сложной химии. Это просто частица, которую вы помещаете в растворитель, и она начинает генерировать электрическое поле».
Текущая версия частиц может генерировать около 0,7 вольт электричества на частицу. Ученые показали, что они могут образовывать массивы из сотен частиц в небольшой пробирке. Этот реактор с «уплотненным слоем» вырабатывает достаточно энергии для химической реакции, называемой окислением спирта, в которой спирт превращается в альдегид или кетон. Обычно эту реакцию не проводят с использованием электрохимии, потому что для этого требуется слишком большой внешний ток. В своей будущей работе Страно надеется использовать этот вид выработки энергии для создания полимеров, используя только диоксид углерода в качестве исходного материала. В родственном проекте он уже создал полимеры, которые могут восстанавливаться, используя углекислый газ в качестве строительного материала, в процессе, основанном на солнечной энергии.
В более долгосрочной перспективе этот подход может также использоваться для питания микро- или наноразмерных роботов. Лаборатория Страно уже начала создавать роботов такого масштаба, которые однажды можно будет использовать в качестве диагностических датчиков окружающей среды. По словам Страно, идея о возможности извлекать энергию из окружающей среды для работы таких роботов весьма привлекательна. «Это означает, что вам не нужно размещать накопитель энергии на борту. Что нам нравится в этом механизме, так это то, что вы можете получать энергию, по крайней мере частично, из окружающей среды», — говорит Страно.
