纳米装置可以通过蒸发自来水或海水产生能量

蒸发是一个普遍存在的自然过程，以至于我们大多数人都认为这是理所当然的。事实上，到达地球的太阳能大约有一半用于驱动蒸发过程。自2017年以来，研究人员一直致力于通过水伏(HV)效应来利用蒸发的能量潜力，当流体流过纳米级设备的带电表面时，即可收集电力。

蒸发在这些设备内部的纳米通道内建立连续流动，充当被动泵送机制。这种效应也出现在植物的微毛细血管中，由于毛细压力和自然蒸发的结合，水的输送发生在植物的微毛细血管中。

尽管目前存在水力发电装置，但对控制纳米级高压能源生产的条件和物理现象的功能了解却很少。工程学院能源技术纳米科学实验室(LNET)负责人兼博士朱利亚·塔利亚布(GiuliaTagliabue)认为，这是一个信息差距。学生塔里克·安瓦尔(TariqueAnwar)想要填补。

他们利用实验和多物理场建模相结合来表征固液相互作用引起的流体流、离子流和静电效应，目标是优化高压设备。

“得益于我们新颖的、高度控制的平台，这是第一项通过强调各种界面相互作用的重要性来量化这些水力发电现象的研究。但在此过程中，我们还取得了一个重大发现：水力发电设备可以在很宽的范围内运行盐度，这与之前的理解相矛盾，即需要高度纯化的水才能获得最佳性能，”塔利亚布说。

研究人员的设备代表了纳米球胶体光刻技术的首次水力发电应用，该技术使他们能够创建精确间隔的硅纳米柱的六边形网络。纳米柱之间的空间为蒸发流体样品创造了完美的通道，并且可以进行微调以更好地了解流体限制和固/液接触面积的影响。

“在大多数含有盐溶液的流体系统中，正离子和负离子的数量相同。然而，当你将液体限制在纳米通道中时，只有极性与表面电荷相反的离子才会保留，”安瓦尔解释道。“这意味着如果允许液体流过纳米通道，就会产生电流和电压。”

“这可以追溯到我们的主要发现，即可以利用纳米装置表面电荷的化学平衡来扩展水力发电装置在盐度范围内的运行，”塔利亚布补充道。

“事实上，随着流体离子浓度的增加，纳米设备的表面电荷也会增加。因此，我们可以在处理更高浓度的流体时使用更大的流体通道。这使得制造用于自来水或海水的设备变得更容易，而不仅仅是纯净水。”

水，到处都是水

由于蒸发可以在很宽的温度和湿度范围内持续发生，甚至在夜间，因此更高效的高压设备有许多令人兴奋的潜在应用。

研究人员希望在瑞士国家科学基金会启动资助的支持下探索这一潜力，该资助旨在开发“一种全新的大规模和小规模废热回收和可再生能源发电范例”，包括在真实环境下的原型模块-日内瓦湖的世界状况。

而且，由于高压设备理论上可以在任何有液体甚至湿气(如汗水)的地方运行，因此它们还可以用于为从智能电视到健康和健身可穿戴设备等联网设备的传感器供电。凭借LNET在光能收集和存储系统方面的专业知识，Tagliabue还热衷于了解如何利用光和光热效应来控制高压系统中的表面电荷和蒸发速率。

最后，研究人员还发现高压系统和清洁水生产之间的重要协同作用。

“自然蒸发用于驱动海水淡化过程，因为可以通过冷凝蒸发表面产生的蒸汽来从盐水中获取淡水。现在，您可以想象使用高压系统既可以生产清洁水，又可以同时利用电力，“安瓦尔解释道。