Los investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL), en Suiza, han descubierto que los dispositivos a nanoescala que aprovechan el efecto hidroeléctrico pueden recolectar electricidad a partir de la evaporación de fluidos con concentraciones de iones más altas que el agua purificada. Este hallazgo podría usarse para alimentar sensores para dispositivos conectados, desde televisores inteligentes hasta dispositivos portátiles de salud y fitness.
Aproximadamente la mitad de la energía solar que llega a la Tierra impulsa procesos de evaporación. Desde 2017, los investigadores han estado trabajando para aprovechar el potencial energético de la evaporación a través del efecto hidrovoltaico (HV), que permite recolectar electricidad cuando el fluido pasa sobre la superficie cargada de un dispositivo a nanoescala.
La evaporación establece un flujo continuo en los nanocanales dentro de estos dispositivos, que actúan como mecanismos de bombeo pasivo. Este efecto también se observa en los microcapilares de las plantas, donde el transporte de agua se produce gracias a una combinación de presión capilar y evaporación natural.
Aunque actualmente existen dispositivos hidrovoltaicos, existe muy poca comprensión funcional de las condiciones y fenómenos físicos que gobiernan la producción de energía de alta tensión a nanoescala. En base a esto, los investigadores aprovecharon una combinación de experimentos y modelos multifísicos para caracterizar flujos de fluidos, flujos de iones y efectos electrostáticos debidos a interacciones sólido-líquido, con el objetivo de optimizar los dispositivos de alta tensión.
Técnica de litografía coloidal de nanoesferas
El dispositivo de los investigadores representa la aplicación hidrovoltaica de una técnica llamada litografía coloidal de nanoesferas, que permitió crear una red hexagonal de nanopilares de silicio espaciados con precisión. Los espacios entre los nanopilares crearon los canales para la evaporación de muestras de fluidos y podrían ajustarse con precisión para comprender mejor los efectos del confinamiento de fluidos y el área de contacto sólido/líquido.
En la mayoría de los sistemas fluídicos que contienen soluciones salinas, hay la misma cantidad de iones positivos y negativos. Sin embargo, cuando se confina el líquido a un nanocanal, sólo quedarán iones con una polaridad opuesta a la de la carga superficial. Esto significa que, si se permite que el líquido fluya a través del nanocanal, se generará corriente y voltajes.
El equilibrio químico de la carga superficial del nanodispositivo puede aprovecharse para ampliar el funcionamiento de los dispositivos hidrovoltaicos en toda la escala de salinidad. De hecho, a medida que aumenta la concentración de iones en el fluido, también aumenta la carga superficial del nanodispositivo. Como resultado, se puede utilizar canales de fluido más grandes mientras se trabaja con fluidos de mayor concentración. Esto hace que sea más fácil fabricar dispositivos para usar con agua del grifo o de mar, en lugar de usar solo agua purificada.
Debido a que la evaporación puede ocurrir continuamente en una amplia gama de temperaturas y humedades (e incluso durante la noche), existen muchas aplicaciones potenciales interesantes para dispositivos de alta tensión más eficientes. Y debido a que, en teoría, los dispositivos HV podrían funcionar en cualquier lugar donde haya líquido (o incluso humedad, como sudor), también podrían usarse para alimentar sensores para dispositivos conectados, desde televisores inteligentes hasta dispositivos portátiles de salud y fitness.