Использование электрокинетических явлений — один из наиболее популярных способов управлять течением жидкости и движением частиц в микро- и наноканалах. Из-за разной адсорбции ионов разных знаков, на практически любой поверхности, находящейся внутри раствора электролита, образуется двойной электрический слой. Взаимодействие между подвижной частью этого слоя и жидкостью может приводить к разнообразным кинетическим явлениям, например, электроосмосу (при котором внешнее электрическое поле возбуждает течение жидкости) или электрофорезу (при котором внешнее поле возбуждает движение частиц).

В своей новой работе китайские химики для создания гидроэлектрогенератора внутри микроканала предложили использовать еще одно электрокинетическое явление — возникновение потенциала течения. Это явление обратно электроосмосу: текущая вдоль неподвижной заряженной стенки вязкая жидкость увлекает с собой ионы электролита, находящиеся в диффузном слое. В результате они накапливаются в одной части канала, что приводит к появлению разницы потенциалов. 

Принцип работы предложенного гидроэлектрогенератора на основе углеродных нанотрубок для микроканалов. Y. Xu et al./ Angewandte Chemie, 2017

В качестве материала поверхности электрогенератора ученые использовали волокно из углеродных нанотрубок. Такой выбор был сделан из-за того, что, помимо необходимых электрических свойств, они обладают низкой плотностью и высокой механической устойчивостью. Для создания устройства ученые нанесли на полимерное ядро цилиндрической формы несколько упорядоченных слоев нанотрубок 18 нанометров каждый, так что суммарная толщина составила 260 нанометров. Всю эту систему поместили в середину цилиндрического канала диаметром 800 микрон.

Общий вид волокна из углеродных нанотрубок (a,b), которое использовалось для создания электрогенератора, поверхности созданного устройства (с) и схема принципа его работы (d). Y. Xu et al./ Angewandte Chemie, 2017

Кроме этого, для увеличения эффективности ученые между слоями из нанотрубок химики дополнительно поместили частицы мезопористого углерода с порами размера 3–5 нм. Благодаря этому, удалось увеличить эффективную площадь поверхности, и, соответственно, суммарный адсорбированный заряд. 

В результате ученым удалось добиться напряжения в 341 милливольт для двадцатисантиметрового генератора. Ученые также показали, что напряжение линейно возрастает с увеличением длины устройства или концентрации электролита. Кроме того, удалось показать, что при необходимости такие генераторы можно составлять в цепи, соединяя их последовательно или параллельно. По утверждению ученых, эффективность конверсии энергии в разработанном ими генераторе достигает более 23 процентов, что значительно превосходит данные для других волоконных электрогенераторов, в частности, на основе солнечных элементов. При этом эффективность устройства не падает даже за 1 миллион циклов.

Максимальное напряжение, которое удалось получить с помощью предложенного электрогенератора, в зависимости от цикла работы. Y. Xu et al./ Angewandte Chemie, 2017

Ученые утверждают, что разработанное ими устройство может использоваться и, например, в кровеносных сосудах. Таким образом, прокачивая кровь, сердце сможет самостоятельно поддерживать работу вводимых в кровь электроустройств.

Недавно мы писали и про другие примеры использования электрокинетических явлений в микрофлюидике. С помощью элетрофореза в нанопорах, например, можно не только делить единичные молекулы биополимеров, но и определять их форму и пространственную ориентацию. А благодаря электроосмосу можно разделять по размерам биологические клетки и другие частицы с нейтральной плавучестью.

Автор: Александр Дубов