Электричество «из ничего»: генерация тока из движения молекул жидкости

Все мы знаем, что электричество можно получать из разных источников: солнца, ветра, воды, атома и т. д. Но вы когда-нибудь задумывались о том, что электричество можно получать и из самого движения молекул жидкости? Да, вы не ослышались. Ученые из Китая разработали уникальный генератор, который способен превращать тепловое движение молекул в электрический ток. Это открытие может стать революционным в области нанотехнологий и чистой энергетики.

Что такое тепловое движение молекул?

Тепловое движение молекул — это беспорядочное движение атомов и ионов в любом веществе при температуре выше абсолютного нуля. Абсолютный ноль — это минимально возможная температура, при которой все движение прекращается. Она равна −273,15∘C или 0 Кельвин. При любой другой температуре молекулы постоянно колеблются, сталкиваются друг с другом и с окружающими предметами. Это движение зависит от температуры и агрегатного состояния вещества: чем выше температура и чем меньше связей между молекулами, тем больше движение. Например, в газе молекулы движутся быстрее и хаотичнее, чем в жидкости или твердом теле.

Тепловое движение молекул — это огромный источник энергии, который мы обычно не замечаем и не используем. Однако ученые давно пытаются найти способ перехватить эту энергию и превратить ее в электричество. Один из таких способов — это использование пьезоэлектрических материалов.

Что такое пьезоэлектрические материалы?

Пьезоэлектрические материалы — это материалы, которые способны генерировать электрический заряд при механическом деформировании. Это явление называется пьезоэффектом. Например, если сжать или растянуть кристалл кварца, он создаст разность потенциалов на своих поверхностях. Обратно, если подать напряжение на кристалл кварца, он изменит свою форму. Это явление называется обратным пьезоэффектом.

Пьезоэлектрические материалы широко используются в различных устройствах, таких как микрофоны, динамики, зажигалки, сенсоры, генераторы и т. д. Одним из самых известных пьезоэлектрических материалов является оксид цинка (ZnO), который легко синтезировать в различные наноструктуры, такие как нанопроволока, нанолисты, наноцветки и т. д.

Как работает молекулярный генератор?

Молекулярный генератор — это устройство, которое использует пьезоэлектрические наноструктуры из оксида цинка для преобразования теплового движения молекул в электричество. Устройство состоит из двух электродов, к которым прикреплены массивы нановолокон из ZnO. Устройство погружается в жидкость, например, в октан — углеводород, похожий на пропан или бутан, только с более длинной цепью атомов углерода и водорода. Молекулы жидкости постоянно сталкиваются с нановолокнами, заставляя их колебаться. Это колебание вызывает деформацию нановолокон и генерацию электрического заряда на их поверхности. Заряд собирается на электродах и создает постоянный электрический ток.

Ученые измерили напряжение и силу тока, которые производит молекулярный генератор. Они получили результаты в 2,28 милливольт и 2,47 наноампер соответственно. Это достаточно мало для питания больших устройств, но достаточно для питания нанотехнологий, таких как медицинские имплантаты или датчики.

Какие перспективы у молекулярного генератора?

Молекулярный генератор — это новый и перспективный способ получения электричества из движения молекул. Он имеет ряд преимуществ перед другими видами генераторов:

• Он не нуждается в каких-либо внешних стимулах, таких как ветер или солнце, что делает его более надежным и устойчивым.
• Он работает при комнатной температуре и не требует охлаждения или нагревания.
• Он имеет малый размер и вес, что делает его подходящим для интеграции в различные устройства.
• Он является экологически чистым источником энергии, который не загрязняет окружающую среду.

Конечно, у молекулярного генератора есть и недостатки, такие как низкая эффективность и выходная мощность. Однако ученые активно работают над улучшением этих параметров, тестируя различные жидкости и материалы.

Какие области применения у молекулярного генератора?

Молекулярный генератор может найти широкое применение в различных областях науки и техники, особенно в нанотехнологиях. Например, он может быть использован для питания микро- и наноустройств, таких как биосенсоры, нанороботы, наномедицина и т. д. Эти устройства могут выполнять различные функции, такие как диагностика, лечение, мониторинг и доставка лекарств в организме человека или животного. Молекулярный генератор может обеспечить им постоянный источник энергии, который не требует замены или подзарядки.

Кроме того, молекулярный генератор может быть использован для создания новых видов электроники, таких как гибкая, прозрачная и самовосстанавливающаяся электроника. Эти виды электроники могут иметь различные преимущества перед традиционной электроникой, такие как легкость, прочность, адаптивность и экологичность. Молекулярный генератор может питать эти устройства от теплового движения окружающей среды или от собственного движения пользователя.

С какими проблемами сталкиваются ученые при создании молекулярного генератора?

Молекулярный генератор — это новаторский и перспективный способ получения электричества из движения молекул. Однако он также сталкивается с рядом проблем и вызовов, которые нужно решить для его широкого распространения и коммерциализации. Некоторые из этих проблем и вызовов следующие:

• Низкая эффективность и выходная мощность. Молекулярный генератор производит очень мало электричества по сравнению с другими видами генераторов. Это ограничивает его применение только для наноустройств, которые требуют очень мало энергии. Для повышения эффективности и выходной мощности нужно оптимизировать параметры жидкости, материала, формы и размера наноструктур.
• Сложность изготовления и интеграции. Молекулярный генератор требует сложных и дорогостоящих методов синтеза и характеризации наноструктур из оксида цинка. Кроме того, он требует специальных методов интеграции в различные устройства, которые должны быть совместимы с жидкостью и наноструктурами. Это повышает стоимость и сложность производства и использования молекулярного генератора.
• Нестабильность и ненадежность. Молекулярный генератор зависит от случайного движения молекул жидкости, которое может меняться в зависимости от температуры, давления, вязкости и других факторов. Это может приводить к нестабильности и ненадежности работы генератора. Для обеспечения стабильности и надежности нужно контролировать и регулировать эти факторы, а также защищать генератор от внешних воздействий, таких как механические повреждения, химические реакции, электромагнитные помехи и т. д.