Generan electricidad moviendo una gota líquida sobre grafeno

Por Francisco R. Villatoro, el 14 abril, 2014. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science ✎ 4

Dibujo20140410 Illustration of the experimental set-up - nature npg

Desde principios del siglo XIX, se sabe que se genera una diferencia de potencial eléctrico cuando un líquido iónico se mueve a través de un canal fino bajo un gradiente de presión. Se publica en Nature Nanotechnology que el movimiento de una gota de agua salada (solución iónica) sobre una tira de grafeno produce una tensión de unos pocos milivoltios. La diferencia de potencial en este fenómeno electrocinético es proporcional a la velocidad y al número de gotas, decreciendo cuando crece el número de capas de grafeno.

Más aún, a la inversa, al aplicar una tensión en los extremos de la tira de grafeno con un gota encima, la gota se mueve. La impulsa un cambio de su forma debido al movimiento de iones de la parte trasera a la parte delantera de la gota. En la figura se muestra una gota con una solución salina 0,6 Molar de NaCl con ángulo en la zona delantera de θA~91,9° y en la trasera de θR~60.2° (estos ángulos dependen del ión disuelto). El artículo presenta cálculos teóricos del fenómeno mediante la teoría del funcional densidad (DFT) que indican que la gota se comporta como un pseudocondensador que se carga en la parte trasera a través de la interfaz con el grafeno y se descarga en la parte delantera.

El artículo técnico es Jun Yin, Xuemei Li, Jin Yu, Zhuhua Zhang, Jianxin Zhou, Wanlin Guo, “Generating electricity by moving a droplet of ionic liquid along graphene,” Nature Nanotechnology, AOP 6 Apr 2014.

Dibujo20140413 DFT simulations - equivalent circuit - nature nano

Las simulaciones DFT muestran la distribución de carga en la gota cerca de la monocapa de grafeno debida a la adsorción de entre una y tres capas de cationes de sodio hidratados para distintas energías de adsorción (Ea). Como resultado se produce una transferencia de estos iones de la parte trasera de la gota a la parte delantera (en el sentido del movimiento). Como es habitual, se puede diseñar un circuito eléctrico equivalente basado en capacitancias y resistencias para cada gota.

Dibujo20140410 Mechanism for the drawing potential - nature npgEl circuito equivalente permite estudiar el movimiento de varias gotas sobre la monocapa de grafeno. El sistema se comporta como una línea de transmisión lineal, cuyo modelo continuo está descrito por la ecuación de onda del tegrafista. En este modelo equivalente, la gota se mueve “transportada” por la onda de carga eléctrica en la línea de transmisión que modela la interfaz entre gota y grafeno.

Dibujo20140413 Voltage induced in graphene by drawing one or more droplets of NaCl solution - nature nano

Para una concentración molar de 0,6 M de sal (NaCl) esta figura ilustra que la relación entre velocidad de la gota y voltaje es lineal. El mismo comportamiento se observa cuando se colocan varias gotas sobre el grafeno (hasta tres en los experimentos descritos en el artículo técnico).

En resumen, el grafeno es fascinante y nos permite volver a afrontar muchos fenómenos físicos desde un punto de visto novedoso.



4 Comentarios

  1. ¿Este efecto podría competir con, o ayudar a, otros sistemas de locomoción? Por ejemplo, ¿es disparatado imaginar un tren de levitación magnética “surfeando” una película de agua salobre sobre rieles de grafeno?

  2. porqué no usar este material en el fondo de los barcos y lanchas? producirían el combustible al avanzar…y cuanto más rápido…mejor

    1. Bueno, en el mejor de los casos, ese tipo de barco recuperaría sólo una parte de la energía empleada en su propulsión, de lo contrario tendríamos una máquina de movimiento perpetuo 🙂

      Sería algo así como la contraparte de esto:
      http://es.wikipedia.org/wiki/Propulsi%C3%B3n_magnetohidrodin%C3%A1mica

      El fenómeno que Francis describe aquí ocurre por movimiento de iones dentro de una gota. La forma de la gota es importante. El fenómeno no parece aplicable a una capa líquida de espesor considerable. Quizá ni siquiera sea aplicable a una fina capa continua, sólo a gotas individuales, de ahí mi pregunta “¿es disparatado imaginar…?”

      Saludos.

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