Elektřina z grafenu a mořské vody

Experimenty proběhly ve městě Nanking, na tamní Univerzitě aeronautiky a astronautiky. Nejdříve vědci zkoušeli ponořovat uhlíkové nanotrubičky do proudící kapaliny, to však efekt nepřinášelo. Nakonec výzkumníci zjistili, že pokud na grafenový proužek umístí povrchovými silami dohromady drženou a souvislou kapičku slané vody, tzv. droplet, a následně ji táhnou určitou rychlostí rovnoběžně s rovinou grafenového proužku, v systému se objeví elektrovoltaické napětí a také proud. Vědcům se povedlo takto táhnout slaný vodní droplet podél roviny grafenu pomocí napůl křemíkového a napůl křemičitého plátku.

Grafen je speciální uhlíkový nanomateriál, který je uspořádán na úrovni jednotlivých atomů v měřítku nanometrů, tedy miliardtin metru. Připomíná velmi jemné šestiúhelníkové a pravidelně srovnané pletivo, v jehož uzlech se nacházejí jednotlivé atomy uhlíku. Tato struktura obrazně „vznikne” například modifikací tvaru uhlíkových nanotrubiček tak, že se jejich válcovité útvary rozvinou do roviny. Tloušťka takto vzniklé jednoatomární vrstvy činí jen asi jednu třetinu nanometru. Mezi zajímavé vlastnosti grafenu patří jeho vynikající mechanické, elektronické či optické parametry, které otevírají cestu k novým výrobkům a aplikacím.

Vědci už nějakou dobu zkoumali různé způsoby, jak by bylo možné pomocí působení kapaliny s rozpuštěnými ionty na různé nanostruktury vyrobit elektrickou energii. Většina podobných způsobů se však neobešla bez velkých rozdílů tlaku v kapalině a ukázalo se, že ty působí negativně na efektivitu celého procesu. Tečné či klouzavé tažení kapek vody se v tomto směru ukázalo jako ideální, protože nevytvářelo velké rozdíly tlaku, čili tlakové gradienty. A pokud vědci zvýšili počet tažených kapek či rychlost jejich tažení, tato změna měla navíc pozitivní vliv na zvýšení elektrovoltaického napětí.

Na grafenový proužek vědci umístili souvislou kapičku slané vody a následně ji táhli rovnoběžně s rovinou grafenového proužku. V systému se objevilo elektrovoltaické napětí|foto: Nature Nanotechnology (2014) doi:10.1038/nnano.2014.56

Vysvětlení tohoto jevu bylo celkem jednoduché. Pokud se kapka s ionty obsaženými ve vodě nepohybuje, rozmístění nábojů v ní je symetrické a rovnovážné. Při tečném pohybu po grafenu ve vodní kapičce nastal pohyb nábojů a objevila se elektrostatická nerovnováha, která vyvolala měřitelné elektrické napětí - asi 30 milivoltů. Již tato malá hodnota však stačila ke konstrukci jednoduchého kontaktního senzoru či sběrače energie. Tento výhledově zajímavý jev však momentálně naráží mimo jiné na problém, jak levně a ve velkém vyrábět kvalitní grafen.

Zdroje: IFL Science, Phys.Org, Gizmodo , Nature Nanotechnology