КАПЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КЕЛЬВИНА МИНИАТЮРИЗОВАНО

КАПЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КЕЛЬВИНА МИНИАТЮРИЗОВАНО

Исследователи из Европы модифицировали старый эксперимент, преобразовав пневматическое давление в электрическую энергию. В перспективе их работа может оказаться полезной для разработки микрокапиллярных устройств.

В 1867 для того, чтобы проиллюстрировать возможность самопроизвольного образования электрического заряда в облаках Ульям Томпсон (Лорд Кельвин) создал устройство, получившее впоследствии название «капельница Кельвина». Однако капельница Кельвина в основном использовалась в качестве оборудования для аудиторных экспериментов, и ее потенциал для получения электроэнергии остался нереализованным.

Устройство работает по принципу положительной обратной связи. Для эксперимента применяется недистиллированная вода, способная проводить электрический ток. Две металлические трубки создают электрическое поле, которое поляризует верхнюю банку с водой. В силу электростатической индукции, капли справа и слева имеют разный заряд. Упав, капли попадают в банку, соответствующую своему заряду, тем самым увеличивают её заряд, что создаёт ещё большее электрическое поле около трубок, усиливая сепарацию зарядов верхней банки. Таким образом капельница Кельвина преобразует потенциальную энергию воды в верхней банке в электрическую энергию между двумя нижними банками, что, правда, происходит с очень низким КПД.

Надеясь использовать сходный принцип для микрокапиллярных устройств, исследователи под руководством Альвара Марина (Álvaro Marín) решили создать миниатюрную капельницу Кельвина, размером не более монетки. В результате была сконструирована микрокапиллярная версия капельницы Кельвина с двумя генераторами капель и парой индукционных электродов у каждого генератора капель. Устройство используется для генерации электрического заряда в каплях, объем которых составляет около пиколитра, генерирующихся со скоростью 103 капли в минуту. Капли приводятся в движение не гравитацией, а пневматическим воздействием. Еще одна пара электродов собирает заряд с наэлектризованных капель, создавая разность потенциалов.

К настоящему моменту новая система может генерировать ток с силой около 0,5 наноампер, Марин поясняет, что увеличение производительности старого-нового генератора можно будет достичь относительно просто – за счет введения дополнительных микрокапиллярных модулей.

Томас Джонс (Thomas Jones), ведущий эксперт в изучении и создании микроэлектромеханических систем из Университета Рочестера в США, уверен, что микрокапиллярная капельница Кельвина может оказаться очень важным устройством для микроэлектромеханики, и дальнейшие работы над этим устройством позволят создать новые источники питания для миниатюрных систем электроувлажнения и диэлектрофореза.

Тем не менее, по словам Марина, выработка электроэнергии не является единственной задачей, которую может решать новое устройство. Дело в том, что конфигурация микрокапилляров и электродов может влиять на способ фрагментации капли, равно как и на ее заряд – это означает, что капельница может также применяться для разделения различных смесей ионов, а также помочь физикам в изучении процессов, лежащих в основе формирования и разрушения капель.

Источник: Lab Chip, 2013, DOI: 10.1039/C3LC50832C