Generan electricidad moviendo una gota de agua salada sobre disulfuro de molibdeno

Por Francisco R. Villatoro, el 19 febrero, 2020. Categoría(s): Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 7

Se puede «generar electricidad moviendo una gota líquida sobre grafeno», LCMF, 14 abr 2014, pero solo se logran décimas de voltio (~100–400 mV). Se publica ahora en Nano Energy  que se alcanzan hasta cinco voltios si se sustituye el grafeno por disulfuro de molibdeno (MoS2). El fenómeno físico es el mismo, conocido desde el siglo XIX, la electrocinética, o aparición de una diferencia de potencial eléctrico cuando un líquido iónico se mueve sobre un conductor (el grafeno es un semimetal y MoS2 es un semiconductor). El gran problema práctico de estos dispositivos es cómo fabricar grandes hojas del material 2D para que la superficie cubierta por la gota sea lo más grande posible. Alcanzar la escala de los centímetros cuadrados usando MoS2 es el gran hito del nuevo trabajo.

Este tipo de dispositivos pretenden alimentar de electricidad a pequeños dispositivos que estén conectados a la internet de las cosas (IoT). Para incrementar el voltaje se colocan varios dispositivos en serie y para incrementar la corriente se colocan en paralelo. Los prototipos desarrollados son prometedores, pero todavía quedan décadas para que sus aplicaciones potenciales lleguen al mercado. El artículo es Adha Sukma Aji, Ryohei Nishi, …, Yutaka Ohno, «High output voltage generation of over 5 V from liquid motion on single-layer MoS2,» Nano Energy 68: 104370 (07 Feb 2020), doi: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.104370.

Esta figura muestra la aparición de una doble capa eléctrica (EDL) en la superficie de contacto entre el dispositivo activo y el agua salada. El movimiento de los iones de Na+ en la gota líquida conforme cambia su forma cuando se desliza hacia abajo en el dispositivo activo se compensa con una corriente de electrones (e), que se aprovecha para generar electricidad. Los iones de Cl tienen mayor masa por lo que su movimiento en la gota es mucho menor y no producen una corriente de huecos (h+) significativa.

Para las medidas del voltaje generado se han usado gotas de agua salada (solución de NaCl en 50 µL de agua a una concentración 1 M) que se han dejado caer por gravedad en el dispositivo activo inclinado un ángulo de 45° (que resulta ser el ángulo óptimo). El ángulo de contacto entre la gota y el medio es de 99.9° ± 3.2° para agua pura (desionizada). En los experimentos se lanza la gota de agua ionizada desde una altura de unos 3 cm sobre un extremo de la tira de 2 × 1 cm de MoS2  y se deja que se deslice sobre ella por acción de la gravedad. Como se observa en la figura, aparece un pico de voltaje entre 5 y  6 V, que cae rápidamente conforme la gota se desliza hacia abajo; la intensidad de corriente máxima alcanzada es de 5 nA (nanoamperios).

Por cierto, cuando el dispositivo nanogenerador se conecta a una resistencia de carga de 200 MΩ, el máximo voltaje que se alcanza para una sola gota es de 0.7 V, con una potencia máxima de 1.75 nW para una velocidad típica de 10 cm/s. A nivel de potencia, el nuevo dispositivo es comparable con los dispositivos análogos de de grafeno, pero en muchas aplicaciones es mejor alcanzar un mayor voltaje que una mayor intensidad.

Como ya he comentado, el gran avance del nuevo artículo es la técnica de fabricación del dispositivo en la escala centimétrica. Sobre un sustrato de zafiro (3 × 1 cm) se ha crecido una monocapa bidimensional de MoS2 del mismo tamaño (3 cm²). Luego se ha transferido la película de MoS2 a un sustrato de naftaleno de polietileno (PEN), con un área activa de 2 × 0.9 cm (~2 cm²). Y se han colocado dos electrodos en los extremos para la medida del voltaje. Los detalles del proceso de fabricación usando deposición química de vapor (DVC)  a partir de MoO3 como precursor y de transferencia del material bidimensional al PEN se pueden consultar el artículo científico.

En resumen, se ha publicado el prototipo de un dispositivo nanogenerador muy curioso que podría tener aplicaciones futuras. Pero queda mucho investigación y desarrollo para lograr que llegue al mercado. Sin lugar a dudas, lo revolucionario del grafeno no son los dispositivos que usan en grafeno para ciertas aplicaciones, sino en que inspira diseños análogos basados en otros materiales bidimensionales que le superan en prestaciones en dichas aplicaciones. Los materiales bidimensionales prometen revolucionar el siglo XXI.



7 Comentarios

  1. Curiosísimo. Desconcía este fenómeno. Me surge una cuestión: Invirtiendo el sentido de la corriente, ¿sería posible bombear agua?

    Cordiales saludos.

  2. Gracias por la información Francis. Relacionado, parece ser que la generación de electricidad a partir de la humedad es un tema de investigación ahora candente, recién aparecido en Nature «Generación de energía a partir de la humedad ambiental utilizando nanocables proteicos». Según dicen en el abstract, en una película de proteínas de 7 um de grosor consiguen 0.5 V de diferencia de potencial y una corriente de 17 uA/cm2
    https://www.nature.com/articles/s41586-020-2010-9
    Saludos.

  3. Supongo que esta es una nueva forma de transformar energía potencial en eléctrica. Se sabe cuál es su eficiencia? Para saber si en un futuro, si se utiliza a nivel industrial, es una opcion más eficiente que la tradicional turbina.

    Por cierto, he leído en tu respuesta al comentario de Enrique Moreno que tal vez se podría mover la gota en dirección contraria. Entonces, si se pudiese, podría ser una buena batería estática?

    Una última cosa, soy un seguidor de este blog y me encanta cómo los explicas las cosas, de manera detallada y clara. Aún hay algunos terminos o medidas que no conozco, pero eso me lleva a investigar por mi cuenta y a aprender más allá de lo que enseñan.

    1. Xoan Cotelo:

      Un punto que Francis destacó en esta pieza fue el siguiente «Alcanzar la escala de los centímetros cuadrados usando MoS2 es el gran hito del nuevo trabajo». Escalar esta tecnología hasta hacerla factible para aplicaciones domésticas o industriales es factible pero requiere mucha más investigación; es por esto que no es relevante resaltar la eficiencia de conversión eléctrica del dispositivo, pues no pretende ser una tecnología de producción de energía alternativa.

      Sólo por diversión: Si de cualquier manera desea calcular la eficiencia (y erróneamente compararla con dispositivos de conversión eléctrica convencionales), puede hacerlo, el cálculo es elemental. Recuerde simplemente que la eficiencia de conversión η se define como el cociente de la potencia de salida dividida por la potencia de entrada. En este post se indicó un arreglo en el que la potencia máxima de salida son 1.75 nW, para estimar la potencia de entrada busque la masa típica de una gota de agua (5e-5 kg), multiplique por la aceleración de la gravedad y la velocidad típica de la gota deslizándose sobre la capa de MoS2 (que se indicó ser de 10cm/seg). Ahora simplemente haga la división y verá que el resultado es decepcionante (hasta por cinco órdenes de magnitud) comparado contra un generador típico.

      Saludos.

  4. Gracias por el artículo. Magnífico.

    Aunque por ahora solo sea algo más que una curiosidad de laboratorio y la confirmación de la necesidad de conseguir de forma industrial materiales bidimensionales, ¡¿quien sabe si el cambio climático nos respeta tendremos los gallegos unos mW más en casa?!

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