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Dispositivo nanofluídico genera energía utilizando agua salada

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Existe una fuente de energía en gran medida desaprovechada a lo largo de las costas del mundo: la diferencia de salinidad entre el agua de mar y el agua dulce. Un nuevo nanodispositivo podría aprovechar esta diferencia para generar energía.

Un equipo de investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign informó en la revista Nano Energy sobre el diseño de un dispositivo nanofluídico capaz de convertir el flujo iónico en energía eléctrica utilizable. El equipo cree que su dispositivo podría usarse para extraer energía de flujos iónicos naturales en la frontera entre el agua de mar y el agua dulce.

«Aunque nuestro diseño es todavía sólo un concepto en esta etapa, es versátil y ya muestra un gran potencial para aplicaciones energéticas», afirmó Jean-Pierre LeBurton, profesor de ingeniería eléctrica e informática y líder del proyecto. Comenzó con una pregunta académica: ¿Puede un dispositivo de estado sólido a nanoescala extraer energía del flujo iónico? -Pero nuestra determinación superó nuestras expectativas y nos sorprendió en muchos sentidos.

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Cuando dos cuerpos de agua de diferente salinidad se encuentran, como cuando un río desemboca en el océano, las moléculas de sal fluyen naturalmente de una concentración más alta a una concentración más baja. La energía de estos flujos se puede aprovechar porque consisten en partículas cargadas eléctricamente llamadas iones que se forman a partir de la sal disuelta.

El grupo de Liberton ha diseñado un dispositivo semiconductor a nanoescala que aprovecha un fenómeno llamado «arrastre de Coulomb» entre los iones que fluyen y las cargas eléctricas en el dispositivo. Cuando los iones fluyen a través de un canal estrecho en un dispositivo, las fuerzas eléctricas hacen que las cargas del dispositivo se muevan de un lado al otro, creando voltaje y corriente eléctricos.

Los investigadores encontraron dos comportamientos sorprendentes cuando simularon sus dispositivos. En primer lugar, si bien esperaban que la atracción de Coulomb se produjera principalmente a través de la fuerza de atracción entre cargas eléctricas opuestas, las simulaciones indicaron que el dispositivo funcionaba igualmente bien si las fuerzas eléctricas eran repulsivas. Tanto los iones con carga positiva como la negativa contribuyen al arrastre.

«También es digno de mención que nuestro estudio sugiere un efecto de amplificación», dijo Minjie Xiong, estudiante de posgrado del grupo Liberton y autora principal del estudio. «Debido a que los iones en movimiento son tan masivos en comparación con las cargas del dispositivo, los iones transfieren grandes cantidades de impulso a las cargas, amplificando la corriente fundamental».

Los investigadores también descubrieron que estos efectos son independientes de la configuración específica del canal, así como de la elección del material, siempre que el diámetro del canal sea lo suficientemente estrecho como para garantizar la proximidad entre iones y cargas.

Los investigadores están en proceso de patentar sus hallazgos y están estudiando cómo escalar estos dispositivos para generar energía en la práctica.

«Creemos que la densidad de energía del conjunto de dispositivos podría igualar o superar la de las células solares», dijo Liberton. «Sin mencionar las posibles aplicaciones en otros campos, como la detección biomédica y los nanofluidos».

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referencia: Xiong M, Song K, Liberton JB. Retiro de culombio iónico en nanocanales semiconductores para recolección de energía. nanoenergía. 2023;117:108860. doi: 10.1016/j.nanoen.2023.108860

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