06.05.2014

Графен даст ток

Физики из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики научились получать электричество, погружая листы графена в подсоленную жидкость. В перспективе, в распоряжении человечества может появиться еще один неисчерпаемый источник энергии в водах морей и океанов. Выводы ученых опубликованы в журнале Nature Communications.

Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, объединенных в структуру, похожую на пчелиные соты. О теоретической возможности существования графена ученые знали достаточно давно, однако первый образец графена был создан лишь в 2004 году российско-британскими физиками Константином Новоселовым и Андреем Геймом. За это открытие они получили Нобелевскую премию 2010 года по физике.

«Нобелевский углерод» обладает рядом уникальных физических свойств – сверхвысокой электрической и тепловой проводимостью, высокой механической прочностью и химической инертностью, а также почти 100% прозрачностью. Эти свойства позволили ученым создать при помощи графена контактные линзы-тепловизоры, детекторы одиночных нитей ДНК и несколько десятков видов сверхбыстрых транзисторов. Пока такие разработки носят «штучный» характер из-за проблем с массовым производством графена, которые, похоже, будут скоро решены.

Ваньлинь Го из Нанкинского университета (Китай) и его коллеги достаточно продолжительное время изучают физические свойства поверхности одиночных листов графена. В ходе экспериментов физики заметили, что если провести листом графена по поверхности подсоленной воды, или же погрузить лист в воду, то он начинает накапливать электрический заряд.

Для китайских исследователей это стало полной неожиданностью. Ведь в соответствии с классической теорией электрокинетики, ток в графене должен был появиться только в том случае, если давление жидкости на лист «нобелевского углерода» было бы разным в разнесенных друг от друга точках на его поверхности. Как поясняют сами авторы статьи, отсутствие этого давления ранее считалось причиной того, почему физикам так и не удалось приспособить другие наноматериалы, в том числе углеродные нанотрубки, для извлечения тока из энергии морских и океанических волн.

Го и его коллеги пока точно не знают, как возникает ток в листе графена — его появление нельзя объяснить при помощи всех известных принципов электрокинетики. Ученые предполагают, что так как подобный эффект не проявляется при погружении «электростанции» в дистиллированную воду, ионы натрия и хлора должны быть ключом к разгадке этого процесса.

Как считают физики, уникальные электрофизические свойства графена могут заставлять «отрицательный» хлор и «положительный» натрий выстраиваться в параллельные линии на границе между графеном и водой. Ионы хлора двигаются в воде заметно медленнее, чем ионы натрия, из-за чего при погружении и всплытии на поверхности листа «нобелевского углерода» будет скапливаться положительный заряд, который можно преобразовать в электрический ток.

Ободренные этим открытием Го и его коллеги попытались приспособить его для практических целей. Сначала они собрали «нано-электростанцию», которая представляла собой «сэндвич» из полоски графена размером с маленькую линейку, присоединенных к ней серебряных электродов и кусочков пластика и кремния, защищающих их от коррозии. Затем ученые создали источник энергии — колбу с рассолом, напоминавшей по своим свойствам и составу морскую воду.

Во время эксперимента физики имитировали движение волн в сосуде, периодически погружая и вынимая «электростанцию» из рассола или двигая ее по поверхности воды. В результате этих движений в полоске возникал относительно слабый, но тем не менее хорошо заметный электрический ток с напряжением в 0,1 вольт и силой в 11 микроампер. Это очень скромные значения, однако при увеличении площади графенового «полотнища» и скорости движения волн сила и напряжение тока будут значительно выше.

Группа Го считает, что у этого открытия очень широкие перспективы для применения на практике — по их словам, в ближайшем будущем эта технология позволит создать «волновые» электростанции, которые будут вырабатывать ток при погружении в море. Их главные преимущества — высокая экологичность и отсутствие движущихся частей, что заметно сократит эксплуатационные расходы. А сегодня подобные графеновые «полотна» можно использовать в качестве источника питания для GPS-навигаторов и научных инструментов в автономных морских буйках и станциях.

Следует отметить, что не все ученые согласны с тем, что графен практически безвреден для здоровья людей и экологии. Микроскопические кусочки графена смертельно опасны для большинства бактерий, а оксид графена токсичен для мышей и других млекопитающих. Поэтому следует крайне осторожно подходить к вопросу о массовом производстве графеновых электростанций и их использованию в водах открытого океана.

Александр Телишев

Источники:

1. rusplt.ru