I ricercatori dell’Università di Osaka hanno studiato i cambiamenti di energia termica attraverso i nanopori che consentono il flusso selettivo di ioni. La disattivazione del flusso di ioni in una direzione ha portato ad un effetto di raffreddamento. I risultati hanno applicazioni nei dispositivi nanofluidici e forniscono informazioni sui fattori che governano i canali ionici nelle cellule. Il materiale dei nanopori potrebbe essere personalizzato per ottimizzare il raffreddamento e si potrebbero produrre array per aumentare l'effetto.
Ti sei mai chiesto come bolle l'acqua in un bollitore elettrico? Molte persone pensano che l’elettricità riscaldi semplicemente la bobina metallica all’interno del bollitore, che poi trasferisce il calore all’acqua. Ma l’elettricità può fare molto di più. Il calore può essere generato quando l'elettricità fa fluire gli ioni in una soluzione. Quando tutti gli ioni e le molecole circostanti possono muoversi liberamente, questo effetto di riscaldamento viene uniformeto in tutta la soluzione. Ora ricercatori giapponesi hanno studiato cosa succede quando questo flusso viene bloccato in una direzione.
In uno studio pubblicato su Device , il team guidato da ricercatori del SANKEN (Istituto di ricerca scientifica e industriale), dell'Università di Osaka, ha dimostrato che è possibile ottenere il raffreddamento utilizzando un nanoporo, un foro molto piccolo in una membrana, come passaggio che consente solo a determinati ioni attraverso.
In generale, l'uso dell'elettricità per guidare gli ioni nelle soluzioni attira ioni con carica positiva e ioni con carica negativa in direzioni opposte. Quindi, l'energia termica trasportata dagli ioni viaggia in entrambe le direzioni.
Se il percorso degli ioni è ostruito da una membrana con solo un nanoporo da attraversare, allora diventa possibile controllare il flusso. Ad esempio, se la superficie dei pori è caricata negativamente, gli ioni negativi possono interagire con essa anziché attraversarla, e solo gli ioni positivi fluiranno, portando con sé la loro energia.
"A concentrazioni elevate di ioni abbiamo misurato un aumento della temperatura man mano che aumentava la potenza elettrica", spiega l'autore principale dello studio Makusu Tsutsui. "Tuttavia, a basse concentrazioni, gli ioni negativi disponibili interagivano con la parete del nanoporo caricata negativamente. Pertanto, solo gli ioni caricati positivamente passavano attraverso il nanoporo ed è stata osservata una diminuzione della temperatura."
La refrigerazione ionica dimostrata potrebbe essere utilizzata per il raffreddamento nei sistemi microfluidici, ovvero sistemi utilizzati per spostare, mescolare o analizzare volumi molto piccoli di liquidi. Tali sistemi sono importanti in molte discipline, dalla microelettronica alla nanomedicina.
Inoltre, i risultati potrebbero aiutare a comprendere meglio i canali ionici, che svolgono un ruolo cruciale nel meccanismo finemente bilanciato delle cellule. Tale intuizione potrebbe essere fondamentale per comprendere la funzione e la malattia, nonché per progettare trattamenti.
"Siamo entusiasti dell'ampiezza del potenziale impatto dei nostri risultati", afferma l'autore senior dello studio Tomoji Kawai. "C'è un ampio margine per personalizzare il materiale dei nanopori per ottimizzare il raffreddamento. Inoltre, si potrebbero creare schiere di nanopori per amplificare l'effetto."
L’elenco delle aree che potrebbero essere migliorate dai risultati è davvero considerevole e si estende all’utilizzo di un gradiente di temperatura per generare potenziale elettrico. Questo potrebbe essere applicato per il rilevamento della temperatura o per la raccolta di energia blu.
Ulteriori informazioni: Makusu Tsutsui et al, Raffreddamento Peltier per la gestione termica nei dispositivi nanofluidici, Dispositivo (2023). DOI:10.1016/j.device.2023.100188
Informazioni sul giornale: Dispositivo
Fornito dall'Università di Osaka
