Moleculaire kracht benutten: elektriciteitsopwekking op nanoschaal

Golfenergietechnologie is een bewezen bron van energieopwekking, maar er is kracht inherent aan elk vloeistofmolecuul op aarde, zelfs als de vloeistof in rust is. Op moleculaire schaal zijn atomen en ionen altijd in beweging. Als deze beweging op nanoschaal kan worden geoogst, zou het een grote energiebron kunnen zijn.

“Er zijn enorme hoeveelheden lucht en vloeistof op aarde, en de succesvolle oogst ervan zou een gigantische hoeveelheid energie voor de samenleving kunnen produceren”, zei auteur Yucheng Luan.

Luan en zijn medewerkers testten een apparaat voor het oogsten van moleculaire energie dat de energie opvangt uit de natuurlijke beweging van moleculen in een vloeistof. Hun werk toonde aan dat moleculaire beweging kan worden gebruikt om een ​​stabiele elektrische stroom te genereren. Hun werk, ‘Molecular thermal motion harvester for elektriciteit conversie’, verscheen in APL-materialen.

Om het apparaat te maken, hebben de onderzoekers nanoarrays van piëzo-elektrisch materiaal in vloeistof ondergedompeld, waardoor de beweging van de vloeistof de strengen kan bewegen zoals zeewier in de oceaan zwaait, behalve dat in dit geval de beweging op onzichtbare, moleculaire schaal plaatsvindt en de strengen zijn gemaakt van zinkoxide. Het zinkoxidemateriaal werd gekozen vanwege zijn piëzo-elektrische eigenschappen, wat betekent dat wanneer het onder beweging golft, buigt of vervormt, het een elektrisch potentieel genereert.

“Als een goed bestudeerd piëzo-elektrisch materiaal kan zinkoxide gemakkelijk worden gesynthetiseerd in verschillende nanostructuren, waaronder nanowhiskers,” zei Luan. “Een nanowhisker is een nette en ordelijke structuur van vele nanodraden, vergelijkbaar met de borstelharen van een tandenborstel.”

Hun energieoogsters zouden kunnen worden gebruikt om nanotechnologieën zoals implanteerbare medische apparaten aan te drijven, of ze zouden kunnen worden opgeschaald naar generatoren op ware grootte en energieproductie op kilowattschaal. Een belangrijk ontwerpkenmerk van het apparaat is dat het niet afhankelijk is van externe krachten, wat zijn potentieel als baanbrekende schone energiebron vergroot.

“Moleculaire apparaten voor het oogsten van thermische bewegingen hebben geen externe stimulatie nodig, wat een groot voordeel is vergeleken met andere energie-oogstmachines,” zei Luan.

“Momenteel wordt elektrische energie voornamelijk verkregen door externe energie, zoals windenergie, waterkrachtenergie, zonne-energie en andere. Dit werk opent de mogelijkheid om elektrische energie te genereren door de moleculaire thermische beweging van vloeistoffen, uit de interne energie van het fysieke systeem dat wezenlijk verschilt van gewone mechanische beweging.”

De auteurs werken al aan de volgende fase van hun ontwerp om de energiedichtheid van het apparaat te verbeteren door verschillende vloeistoffen, hoogwaardige piëzo-elektrische materialen en nieuwe apparaatarchitecturen te testen en door het apparaat te vergroten.

“Wij geloven dat dit nieuwe soort systeem in de nabije toekomst een onmisbare manier zal worden voor mensen om aan elektrische energie te komen.”