Caltechin ja Northwestern Universityn tutkijoiden tekemä uusi tutkimus osoittaa, että ohuet ruostekalvot – eli rautaoksidi - voivat tuottaa sähköä, kun suolavesi virtaa niiden yli. Nämä kalvot edustavat täysin uutta tapaa tuottaa sähköä, ja niitä voidaan käyttää kehittämään uusia kestävän sähköntuotannon muotoja.
Metalliyhdisteiden ja suolaveden väliset vuorovaikutukset tuottavat usein sähköä, mutta tämä johtuu yleensä kemiallisesta reaktiosta, jossa yksi tai useampi yhdiste muunnetaan uusiksi yhdisteiksi. Näiden kaltaiset reaktiot ovat paristojen perusteita.
Sitä vastoin Caltechin kemian professori Tom Millerin ja Northwesternin kemian professori Franz Geigerin löytämä ilmiö ei sisällä kemiallisia reaktioita, vaan muuntaa virtaavan suolaisen veden kineettisen energian sähköksi. Tämä elektrokineettinen vaikutus on havaittu aikaisemmin ohuissa grafeenikalvoissa ja se on huomattavan tehokas. Kineettisestä energiasta muunnetaan sähköksi peräti 30 prosenttia.
Grafeenikalvoja on kuitenkin vaikea valmistaa ja skaalata käytännölliseen kokoon. Millerin ja Geigerin löytämät rautaoksidikalvot ovat suhteellisen helppo valmistaa ja skaalata suurempiin kokoihin.
Fysikaalinen höyrystyssaostus (PVD) antoi tutkijoille mahdollisuuden luoda 10 nanometrin paksuinen rautakerros. Kun metallikalvo poistetaan PVD-laitteesta, ruoste muodostui itsestään ilmanalassa noin 2 nanometrin paksuiseksi.
Kun ruosteella päällystetyn raudan yli virtautettiin eri pitoisuuksien suolavesiliuoksia, tuotettiin sähköä useita kymmeniä millivoltteja ja useita mikroampeereita per neliösenttimetri.
- Löydön kannalta levyt, joiden pinta-ala on 10 neliömetriä, tuottaisivat muutaman kilowatin tunnissa - tarpeeksi tavalliselle amerikkalaisen kodin tarpeisiin. Tietenkin vähemmän vaativat sovellukset, mukaan lukien pienitehoiset laitteet syrjäisissä paikoissa, ovat lupaavammat lähitulevaisuudessa, Miller sanoo
Sähköntuotannon takana oleva mekanismi on monimutkainen. Se sisältää ionien adsorption ja desorption, mutta se toimii perustaltaan kun suolavedessä olevat ionit houkuttelevat ruostekerroksen alla olevia raudan elektroneja mukaansa jolloin syntyy sähkövirtaa.
Miller sanoo, että tämä vaikutus voi olla hyödyllinen erityisissä tilanteissa, joissa on liikkuvia suolaliuosratkaisuja, kuten valtameressä tai ihmiskehossa.
- Esimerkiksi vuoroveden energiaa tai meressä keikkuvia poijuja voitaisiin käyttää passiiviseen sähköenergian muuntamiseen. Ihmiskehossa on suolavettä, joka virtaa suonissasi määräajoin pulsseina. Sitä voitaisiin käyttää tuottamaan sähköä implanttien virran tuottamiseksi, hän visioi.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 6.8.2019
