Sähköä molekyylien ja ionien tasolta

Kiinalaiset tutkijat ovat kehittäneen nestemolekyylien lämpöliikkeen energian sähköenergiaksi keräävän laiterakenteen.

Kyseessä on uudenlainen pienenergian keruulaite mutta jos tätä energiamuotoa voitaisiin hyödyntää tehokkaasti planeetan valtavista neste- ja kaasumääristä, se tarjoaisi uuden energialähteen huikeassa mittakaavassa.

Molekyylilämpöliike on erityinen dynaaminen liike, joka eroaa olennaisesti tavallisesta mekaanisesta liikkeestä. Se on fysikaalisen järjestelmän sisäisen energian komponentti, mikä tarkoittaa, että kaikkien aineiden molekyylit ovat jatkuvassa ja satunnaisessa liikkeessä absoluuttisen nollalämpötilan yläpuolella.

Esimerkiksi ideaalikaasun lämpöliikkeen keskimääräinen kineettinen energia per kaasumolekyylien mooli huoneenlämpötilassa on 3,7 kJ.

Tutkijoiden mukaan nestemäisen molekyylin lämpöliikkeen energiaa ei ole koskaan ennen käytetty energialähteenä. Ehkä johtuen haasteesta luoda elinkelpoinen laite, joka voi muuntaa kyseisen energian sähköksi.

Jokin aika sitten raportoitin pietsosähköisten nanolankojen keräävän energiaa Brownin liikkeestä. Siten laitteella, joka pystyy säätelemään pietsolankojen keräämän sähkövirran suuntaa, ympäröivien nestemolekyylien lämpöliike-energia voidaan kerätä sähköenergiana.

Kokeissa elektrodit upotettiin erilaisiin nestefaasiympäristöihin. Laiterakenteen osoitettiin muuntavan nesteen molekyylin lämpöenergiaa jatkuvaksi ja vakaaksi sähkövirraksi. Lähtöjännite ja -virta voivat saavuttaa 2,28 mV ja 2,47 nA, ja ne voivat kasvaa nesteen lämpötilan myötä.

Sähköankeriaasta ideoiden on toinen ryhmä kiinalaisia tutkijoita löytänyt uudenlaisen keinotekoisen kaliumionien kanavarakenteen, jonka mahdollistava osmoottinen sähköntuotanto (PoPee-OPG) jäljittelee paremmin sähköankeriaan sähkösyyttikennojen energian muuntamista

Tiedemiehet ovat pitkään pyrkineet jäljittelemään kyseistä ihmettä keinotekoisissa järjestelmissä, mutta he eivät ole pystyneet vastaamaan luonnollisten proteiinikanavien erinomaiseen ionien erotteluun.

Tyypillisesti olemassa olevien keinotekoisten kaliumkanavien K+/Na+ -selektiivisyyssuhde on alle 40-kertainen.

Nyt tutkijat loivat angstrom-mittakaavassa olevia huokosia kaksikerroksisiin grafeenilevyihin ja koristelevat huokosten reunat kierretyillä karbonyyliryhmien renkailla. Näin aikaansaatu ionikanava voi tiukasti estää ei-toivotun Na+:n kuljetuksen dynaamisella K+/Na+ -selektiivisyyssuhteella jopa 1295-kertaisesti.

Biologisten järjestelmien toimintaperiaatteiden ymmärtämisen lisäksi uudenlaiset ionikanavat mahdollistavat sovelluksia, joita ei löydy luonnosta. Käsitteen todisteena tutkijat ehdottavat uutta tapaa ionivoiman keräämiseksi sekoittamalla yhtä suuria elektrolyyttiliuoksia kaksikerroksisten angstrom-huokosten läpi. Teoreettisesti tämä biomimeettinen laite saavuttaa erittäin suuren tehotiheyden, yli 1200 W/m2 grafeenilevyillä, joiden huokoisuus on vain alle 1 %.

Esimerkiksi PoPee-OPG voisi toimia käyttämällä liuoksia, joilla on yhtä suuri ionivahvuus. Tämä eroaa välttämättömistä laimennetuista liuoksista, joita käytetään olemassa olevassa suolaisuusgradienttisessa voimantuotannossa (SGPG), mikä rajoittaa niiden suorituskykyä.

Aiheesta aiemmin:

Pyrosähköä viruksista