Учёные по всему миру работают над уникальными свойствами графеновых материалов. Но пользоваться их изобретениями предстоит нам. Открыто ещё больше материалов, которые смогут переделать привычные вещи, сделать их более компактными или использовать ранее невозможные источники энергии.
Об одном перспективном источнике энергии для судов и самолётов я вам расскажу. Как вы знаете, течение потока воды производит немало энергии и шума, достаточно подойти к ГЭС, и вы уже издалека услышите шум воды. Так за счёт перепада давления получают электроэнергию. Но можно использовать только вибрации, которые являются основными движущими силами загадочного процесса, при котором поток жидкости генерирует электрический ток в твердом теле под ним.
Известно, что жидкость, текущая по проводящей поверхности, производит электрический ток, но механизм этого эффекта до конца неясен. Новые эксперименты с одиночной каплей жидкости, протаскиваемой по поверхности графена, демонстрируют, что силы вязкости на границе раздела жидкость-твердое тело создают вибрации - фононы на поверхности Ферми в графеновом листе, увлекая электроны в направлении потока. Исследователи подтвердили эту интерпретацию «фононного ветра», наблюдая за несколькими жидкостями и тестируя поверхности графена со складками и без них. В результате могут быть созданы высокочувствительные датчики потока или устройства, которые могут собирать электричество из потоков.
Исследователи обнаружили, что вода, протекающая по материалу, в частности, по углеродным нанотрубкам или графену, может генерировать электрические токи в твердом теле. Эффект проявляется в углеродных материалах, потому что поверхности атомарно плоские и, таким образом, позволяют жидкости течь в значительной степени беспрепятственно на границе жидкость-твердое тело. Было предложено несколько моделей для объяснения токов, вызванных потоком, часто с участием зарядов внутри жидкости, действующих на электроны в твердом теле. Однако экспериментальные неопределенности помешали исследователям определить, какая модель лучше.
Чтобы помочь решить эту проблему, учёные из Франции разработали эксперимент, в котором одна капля жидкости перетаскивается по поверхности графена. Использовав одну нанокаплю, удалось получить почти идеальную конфигурацию модели, в которой известен каждый параметр, а экспериментальные результаты можно лучше сравнить с теорией. Установка, которую использовала команда ученых, состояла из небольшой пипетки, приклеенной к камертонному зонду виброчувствительного микроскопа. Удерживая каплю на кончике пипетки, обращенном вниз, ученые опустили зонд к графену и использовали вибрации вилки, чтобы определить, когда капля соприкоснулась с поверхностью.
Затем ученые смоделировали движение потока, перемещая каплю вперед и назад по горизонтали. Электроды регистрировали электрический ток в графене около 10 наноампер, когда капля двигалась в одном направлении, и отрицательный ток, когда она двигалась в противоположном направлении. Величина генерируемого тока существенно не изменилась, когда ученые переключились с ионной жидкости, содержащей заряженные молекулы, на нейтральную жидкость. Этот результат означает, что зарядовые взаимодействия между жидкостью и твердым телом не играют существенной роли в индуцированных потоком токах.
В другом тесте исследователи обнаружили, что в образцах графена со складками измеряется больший ток, чем в образцах без складок. Чтобы объяснить такое поведение, команда разработала микроскопическую модель, включающую эффект столкновения молекул жидкости с твердой поверхностью и генерации фононов, движущихся в направлении потока. Эти фононы передают часть своего импульса электронам в графене, подобно ветру, дующему на облако пыли. Этот механизм фононного ветра был предложен десять лет назад, но новая модель описывает способ, которым складки усиливают столкновения жидкости и твердого тела, возбуждающие фононы в графене.
Полученные данные могут помочь в разработке приложений, основанных на индуцированных потоком токах. Например, несколько исследовательских групп работают над устройствами сбора энергии, которые могли бы преобразовывать потоки жидкости — например, капли дождя, скатывающиеся по поверхности крыши — в электрический ток. Другие разрабатывают датчики на основе углерода, которые могут измерять крошечные потоки внутри микрожидкостных чипов. Эти технологии можно улучшить, модифицировав углеродные поверхности таким образом, чтобы увеличить производство фононов.
Учёные по всему миру работают над уникальными свойствами графеновых материалов. Но пользоваться их изобретениями предстоит нам. Я уверен, что скоро произойдёт вытеснение ионных и литиевых аккумуляторов, на графеновые. А что думаете вы?
Подписывайтесь на мой канал, чтобы не пропустить интересные публикации.
