Udnyttelse af molekylær kraft:Elektricitetsproduktion på nanoskala

Bølgeenergiteknologi er en gennemprøvet kilde til energiproduktion, men der er kraft iboende i hvert væskemolekyle på Jorden, selv når væsken er i ro. På molekylær skala bevæger atomer og ioner sig altid. Hvis denne bevægelse i nanoskala kan høstes, kan den være en stor energikilde.

"Der er enorme mængder luft og væske på Jorden, og deres succesfulde høst kan producere en gigantisk mængde energi til samfundet," sagde forfatter Yucheng Luan.

Luan og hans samarbejdspartnere testede en anordning til høst af molekylær energi, der fanger energien fra den naturlige bevægelse af molekyler i en væske. Deres arbejde viste, at molekylær bevægelse kan bruges til at generere en stabil elektrisk strøm. Deres arbejde, "Molecular thermal motion harvester for electricity conversion," dukkede op i APL Materials .

For at skabe enheden nedsænkede forskerne nanoarrays af piezoelektrisk materiale i væske, hvilket gjorde det muligt for væskens bevægelse at flytte trådene som tang, der bølger i havet, undtagen i dette tilfælde er bevægelsen på den usynlige, molekylære skala, og trådene er lavet af zinkoxid. Zinkoxidmaterialet blev valgt på grund af dets piezoelektriske egenskaber, hvilket betyder, at når det bølger, bøjes eller deformeres under bevægelse, genererer det elektrisk potentiale.

"Som et velundersøgt piezoelektrisk materiale kan zinkoxid let syntetiseres til forskellige nanostrukturer, herunder nanowhiskers," sagde Luan. "En nanowhisker er en pæn og velordnet struktur af mange nanotråde, der ligner børstehårene på en tandbørste."

Deres energihøstere kunne bruges til at drive nanoteknologier som implanterbart medicinsk udstyr, eller de kunne skaleres til generatorer i fuld størrelse og energiproduktion i kilowatt-skala. En vigtig designfunktion ved enheden er, at den ikke er afhængig af eksterne kræfter, hvilket øger dens potentiale som en ren energikilde, der skifter spil.

"Molekylære termiske bevægelseshøstere behøver ikke nogen ekstern stimulation, hvilket er en stor fordel sammenlignet med andre energihøstere," sagde Luan.

"På nuværende tidspunkt opnås elektrisk energi hovedsageligt af ekstern energi, såsom vindenergi, vandkraft, solenergi og andre. Dette arbejde åbner muligheden for at generere elektrisk energi gennem væskers molekylære termiske bevægelse, fra den indre energi fra det fysiske system, der er væsentligt forskelligt fra almindelig mekanisk bevægelse."

Forfatterne arbejder allerede på den næste fase af deres design for at forbedre enhedens energitæthed ved at teste forskellige væsker, højtydende piezoelektriske materialer og nye enhedsarkitekturer og ved at forstørre enheden.

"Vi tror på, at denne nye form for system vil blive en uundværlig måde for mennesker at opnå elektrisk energi i den nærmeste fremtid."

Flere oplysninger: Molekylær termisk bevægelseshøster til elkonvertering, APL-materialer (2023). DOI:10.1063/5.0169055

Journaloplysninger: APL-materialer

Leveret af American Institute of Physics