L'evaporazione è un processo naturale così onnipresente che la maggior parte di noi lo dà per scontato. Infatti, circa la metà dell’energia solare che raggiunge la Terra determina processi di evaporazione. Dal 2017, i ricercatori lavorano per sfruttare il potenziale energetico dell'evaporazione tramite l'effetto idrovoltaico (HV), che consente di raccogliere elettricità quando il fluido viene fatto passare sulla superficie carica di un dispositivo su scala nanometrica.
L'evaporazione stabilisce un flusso continuo all'interno dei nanocanali all'interno di questi dispositivi, che agiscono come meccanismi di pompaggio passivi. Questo effetto si riscontra anche nei microcapillari delle piante, dove il trasporto dell'acqua avviene grazie a una combinazione di pressione capillare ed evaporazione naturale.
Sebbene attualmente esistano dispositivi idrovoltaici, c’è pochissima comprensione funzionale delle condizioni e dei fenomeni fisici che governano la produzione di energia ad alta tensione su scala nanometrica. È una lacuna informativa che Giulia Tagliabue, responsabile del Laboratorio di Nanoscienze per le Tecnologie Energetiche (LNET) della Facoltà di Ingegneria, e Ph.D. lo studente Tarique Anwar voleva riempire.
Hanno sfruttato una combinazione di esperimenti e modellazione multifisica per caratterizzare i flussi di fluidi, i flussi di ioni e gli effetti elettrostatici dovuti alle interazioni solido-liquido, con l'obiettivo di ottimizzare i dispositivi ad alta tensione.
"Grazie alla nostra nuova piattaforma altamente controllata, questo è il primo studio che quantifica questi fenomeni idrovoltaici evidenziando il significato di varie interazioni interfacciali. Ma nel processo, abbiamo anche fatto una scoperta importante:che i dispositivi idrovoltaici possono funzionare su un'ampia gamma di salinità, contraddicendo la convinzione precedente secondo cui per ottenere prestazioni ottimali era necessaria acqua altamente purificata," afferma Tagliabue.
Lo studio LNET è stato recentemente pubblicato su Device .
Il dispositivo dei ricercatori rappresenta la prima applicazione idrovoltaica di una tecnica chiamata litografia colloidale della nanosfera, che ha permesso loro di creare una rete esagonale di nanopilastri di silicio distanziati con precisione. Gli spazi tra i nanopilastri creavano i canali perfetti per l'evaporazione dei campioni di fluido e potevano essere regolati con precisione per comprendere meglio gli effetti del confinamento del fluido e l'area di contatto solido/liquido.
"Nella maggior parte dei sistemi fluidici contenenti soluzioni saline, è presente un numero uguale di ioni positivi e negativi. Tuttavia, quando si confina il liquido in un nanocanale, rimarranno solo gli ioni con una polarità opposta a quella della carica superficiale", spiega Anwar. "Ciò significa che se permetti al liquido di fluire attraverso il nanocanale, genererai corrente e voltaggio."
"Ciò risale alla nostra importante scoperta secondo cui l'equilibrio chimico per la carica superficiale del nanodispositivo può essere sfruttato per estendere il funzionamento dei dispositivi idrovoltaici su tutta la scala della salinità", aggiunge Tagliabue.
"In effetti, all'aumentare della concentrazione di ioni nel fluido, aumenta anche la carica superficiale del nanodispositivo. Di conseguenza, possiamo utilizzare canali di fluido più grandi mentre lavoriamo con fluidi a concentrazione più elevata. Ciò rende più semplice fabbricare dispositivi da utilizzare con l'acqua del rubinetto o di mare. , al contrario della sola acqua purificata."
Poiché l'evaporazione può avvenire in modo continuo in un'ampia gamma di temperature e umidità, e anche di notte, esistono molte interessanti applicazioni potenziali per dispositivi ad alta tensione più efficienti.
I ricercatori sperano di esplorare questo potenziale con il sostegno di uno Starting Grant del Fondo nazionale svizzero per la ricerca scientifica, che mira a sviluppare "un paradigma completamente nuovo per il recupero del calore di scarto e la generazione di energia rinnovabile su larga e piccola scala", compreso un modulo prototipo in condizioni reali -condizioni mondiali sul Lago di Ginevra.
E poiché i dispositivi ad alta tensione potrebbero teoricamente essere utilizzati ovunque ci sia liquido – o anche umidità, come il sudore – potrebbero anche essere utilizzati per alimentare sensori per dispositivi connessi, dalle smart TV ai dispositivi indossabili per la salute e il fitness. Grazie all'esperienza di LNET nei sistemi di raccolta e stoccaggio dell'energia luminosa, Tagliabue è anche interessato a vedere come la luce e gli effetti fototermici potrebbero essere utilizzati per controllare le cariche superficiali e i tassi di evaporazione nei sistemi ad alta tensione.
Infine, i ricercatori vedono anche importanti sinergie tra i sistemi ad alta tensione e la produzione di acqua pulita.
"L'evaporazione naturale viene utilizzata per avviare i processi di desalinizzazione, poiché l'acqua dolce può essere raccolta dall'acqua salata condensando il vapore prodotto da una superficie evaporativa. Ora, si potrebbe immaginare di utilizzare un sistema ad alta tensione sia per produrre acqua pulita che per sfruttare l'elettricità allo stesso tempo, " spiega Anwar.
Ulteriori informazioni: Tarique Anwar et al, Fenomeni interfacciali dipendenti dalla salinità verso l'ottimizzazione del dispositivo idrovoltaico, Dispositivo (2024). DOI:10.1016/j.device.2024.100287
Informazioni sul giornale: Dispositivo
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