MIT-ingenjörer har upptäckt ett nytt sätt att generera elektricitet med hjälp av små kolpartiklar som kan skapa en ström helt enkelt genom att interagera med vätska som omger dem.

Vätskan, ett organiskt lösningsmedel, drar ut elektroner ur partiklarna, genererar en ström som kan användas för att driva kemiska reaktioner eller för att driva robotar i mikro- eller nanoskala, säger forskarna.

"Denna mekanism är ny, och detta sätt att generera energi är helt nytt, " säger Michael Strano, Carbon P. Dubbs professor i kemiteknik vid MIT. "Den här tekniken är spännande eftersom allt du behöver göra är att strömma ett lösningsmedel genom en bädd av dessa partiklar. Detta gör att du kan göra elektrokemi, men utan sladdar."

I en ny studie som beskriver detta fenomen, forskarna visade att de kunde använda denna elektriska ström för att driva en reaktion som kallas alkoholoxidation – en organisk kemisk reaktion som är viktig i den kemiska industrin.

Strano är den äldre författaren av tidningen, som visas idag i Naturkommunikation . Huvudförfattarna till studien är MIT-studenten Albert Tianxiang Liu och tidigare MIT-forskaren Yuichiro Kunai. Andra författare inkluderar före detta doktorand Anton Cottrill, postdoktorerna Amir Kaplan och Hyunah Kim, doktorand Ge Zhang, och nyligen utexaminerade från MIT Rafid Mollah och Yannick Eatmon.

Unika egenskaper

Den nya upptäckten växte fram ur Stranos forskning om kolnanorör - ihåliga rör gjorda av ett galler av kolatomer, som har unika elektriska egenskaper. 2010, Strano demonstrerade, för första gången, att kolnanorör kan generera "termokraftvågor". När ett kolnanorör är belagt med ett lager av bränsle, rörliga värmepulser, eller termokraftvågor, resa längs röret, skapar en elektrisk ström.

Det arbetet ledde till att Strano och hans elever upptäckte en relaterad egenskap hos kolnanorör. De fann att när en del av ett nanorör är belagt med en teflonliknande polymer, det skapar en asymmetri som gör det möjligt för elektroner att flöda från den belagda till den obelagda delen av röret, genererar en elektrisk ström. Dessa elektroner kan dras ut genom att sänka partiklarna i ett lösningsmedel som är sugen på elektroner.

För att utnyttja denna speciella förmåga, forskarna skapade elektricitetsgenererande partiklar genom att mala upp kolnanorör och forma dem till ett ark pappersliknande material. En sida av varje ark var belagd med en teflonliknande polymer, och forskarna skar sedan ut små partiklar, som kan vara vilken form eller storlek som helst. För denna studie, de gjorde partiklar som var 250 mikron gånger 250 mikron.

När dessa partiklar är nedsänkta i ett organiskt lösningsmedel såsom acetonitril, lösningsmedlet fäster på partiklarnas obelagda yta och börjar dra ut elektroner ur dem.

"Lösningsmedlet tar bort elektroner, och systemet försöker komma i jämvikt genom att flytta elektroner, " säger Strano. "Det finns ingen sofistikerad batterikemi inuti. Det är bara en partikel och du lägger den i lösningsmedel och den börjar generera ett elektriskt fält."

Partikelkraft

Den nuvarande versionen av partiklarna kan generera cirka 0,7 volt el per partikel. I den här studien, forskarna visade också att de kan bilda uppsättningar av hundratals partiklar i ett litet provrör. Denna "packade bädd"-reaktor genererar tillräckligt med energi för att driva en kemisk reaktion som kallas alkoholoxidation, där en alkohol omvandlas till en aldehyd eller en keton. Vanligtvis, denna reaktion utförs inte med hjälp av elektrokemi eftersom den skulle kräva för mycket extern ström.

"Eftersom reaktorn med packad bädd är kompakt, den har mer flexibilitet när det gäller tillämpningar än en stor elektrokemisk reaktor, " säger Zhang. "Partiklarna kan göras väldigt små, och de kräver inga externa ledningar för att driva den elektrokemiska reaktionen."

I framtida arbete, Strano hoppas kunna använda denna typ av energigenerering för att bygga polymerer med enbart koldioxid som utgångsmaterial. I ett relaterat projekt, han har redan skapat polymerer som kan regenerera sig själva med koldioxid som byggmaterial, i en process som drivs av solenergi. Detta arbete är inspirerat av kolfixering, den uppsättning kemiska reaktioner som växter använder för att bygga socker från koldioxid, använder energi från solen.

På längre sikt, detta tillvägagångssätt kan också användas för att driva robotar i mikro- eller nanoskala. Stranos labb har redan börjat bygga robotar i den skalan, som en dag skulle kunna användas som diagnostiska eller miljösensorer. Tanken på att kunna ta bort energi från miljön för att driva den här typen av robotar är tilltalande, han säger.

"Det betyder att du inte behöver lägga energilagringen ombord, " säger han. "Det vi gillar med den här mekanismen är att du kan ta energin, åtminstone delvis, från miljön."