Другие виды » Гидроэнергетика

Сегодня редкий выпуск научных журналов обходится без сообщений о создании очередного типа наноустройств — медицинских имплантатов, сенсоров, утилизаторов отходов и других. В каждом случае создатель наноустройства должен позаботиться об источнике питания, который должен быть столь же миниатюрен.

Одним из таких источников питания может стать система, в которой вода, проходя сквозь нанотрубки, возбуждает в них электрический ток. Ученые из Пекинского Института механики под руководством профессора Я-Пу Чжао построили модель такой системы, которая объясняет принцип ее действия. Сообщение об их работе недавно опубликовал авторитетный научный журнал Journal of American Chemical Society.

Несколько лет назад индийские ученые из Индийского института науки в Бангалоре под руководством профессора Аджая Суда обнаружили, что при пропускании тока воды сквозь нанотрубки со стенками толщиной в мономолекулярный слой на концах трубок возникает разность потенциалов, следствием чего является электрический ток. Причем направление электрического тока можно менять на противоположное, если пустить воду через другой конец трубки.

В прошлом году китайские ученые под руководством Лянфен Суна создали гидроэлектрические преобразователи энергии, основываясь на этом эффекте. Фактически, им удалось заставить двигаться молекулы воды под действием электрического поля и в той же нанотрубке наблюдать преобразование кинетической энергии движения воды обратно в электричество. Они предположили, что нанотрубки можно использовать как уникальные чувствительные молекулярные каналы для воды и найти для них применение для преобразования энергии на молекулярном уровне.

Однако прежде, чем искать применение эффекту, необходимо понять, как собственно ток воды преобразуется в ток электрический. Без понимания механизма этого эффекта было бы сложно проектировать новый наногенератор электрической энергии.

Я-Пу Чжао с сотрудниками исследовали, как вода взаимодействует с нанотрубками на атомном уровне. Они построили компьютерный алгоритм, который моделировал систему, в которой под действием осмотического давления молекулы воды проходят через нанотрубку диаметром 0,814 нм и длиной 1,23 нм. Для сравнения: размер молекулы воды составляет 0,275 нм.

В первую очередь ученые обратили внимание на то, что молекулы воды двигаются по нанотрубке в ряд, по одной молекуле, словно автомобильная колонна. Обычно молекулы воды формируют между собой упорядоченные водородные связи, так что особенности передвижения «в колонне по одному» ученые приписали именно этому свойству воды.

Молекула воды полярна и имеет дипольный момент. Грубо говоря, это означает, что в ней положительные и отрицательные заряды разделены, а это создает вокруг молекулы электрическое поле. Видимые глазу капли воды, разумеется, электрически нейтральны — потому что в них множество по-разному ориентированных молекул компенсируют электрические поля друг друга. Но когда связанные водородными связями молекулы выстраиваются в ряд в нанотрубке, то все их дипольные моменты складываются и сама цепь приобретает свой дипольный момент, который значительно больше величины для одиночной молекулы.

В результате, в нанотрубке возникает электрическое поле, а на ее концах — заряды. Заряд на одном ее конце равен примерно 0,134 ?, а на другом -0,005 ?. Ученые подсчитали, что разность потенциалов между концами нанотрубки равна 17,2 мВ, а сила тока, возникающая при движении молекул воды — 1,72 мкА.

Таким образом, наполненная водой нанотрубка становится многообещающим кандидатом в наноразмерные источники питания и наномощные генераторы, заключают китайские ученые. Стоит пояснить, что это не совсем одно и то же. Наноразмерный источник питания отличается своими малыми размерами, а наномощный генератор — это источник питания для устройств мощностью 1-100 нВт.

После исследований китайских ученых мы теперь знаем, почему ток воды в нанотрубках возбуждает в них электрический ток и что это перспективно с практической точки зрения. Дальнейшие исследования позволят узнать как влияет диаметр трубок на свойства системы.

Информнаука