하늘을 가르는 번개를 목격한 사람이라면 누구나 알고 있듯이 우리 주변의 공기는 놀라운 양의 에너지로 가득 차 있을 수 있다. 새로운 연구에 따르면 이 에너지 중 일부는 놀랍도록 다양한 재료로 만들 수 있는 간단한 천공 나노필름을 사용하여 수확할 수 있다.
2020년에 UMass Amherst의 전기 및 컴퓨터 공학 조교수인 Jun Yao와 그의 동료들은 Geobactersulfurreducens 로 알려진 박테리아에서 나노와이어를 성장시켰다. 과학자들은 이 전선이 소량의 습기도 수확하여 공기에서 전기를 지속적으로 끌어낼 수 있는 방법을 보여주었다. 이 시스템은 나노와이어와 나노와이어를 감싸고 있는 필름의 기공의 화학적 성질에 의존했다.
그 연구를 바탕으로 Yao와 그의 팀은 이제 프로세스에 포함된 나노와이어 유형이 중요하지 않다는 것을 발견했다. 진짜 트릭은 필름의 기공 크기와 관련이 있다고 그들은 말한다.
"Geobacter를 발견한 후 우리가 깨달은 것은 공기에서 전기를 생성하는 능력(당시 'Air-gen 효과'라고 함)이 일반적인 것으로 밝혀졌다는 것이다. 말 그대로 모든 종류의 물질이 특정 속성이 있는 한 공기에서 전기를 수확합니다."
그가 언급하고 있는 속성은 어떤 물질의 한 분자가 다른 분자와 충돌하기 전에 이동할 수 있는 거리인 "평균 자유 경로"로 알려진 것과 관련이 있다. 공기 중에 습기를 형성하는 것과 같은 물의 경우 그 거리는 100나노미터(nm) 또는 사람 머리카락 굵기의 1/1000 미만이다.
이전 연구와 마찬가지로 새로운 연구에는 두 개의 나노필름 레이어가 포함된다. 상단에는 100nm보다 작은 천공이 있습니다. 이것은 물 분자가 모공을 통해 짜내기를 기다리는 동안 표면에 물 분자를 고정시키는 일종의 체 역할을 한다. 이 분자들이 상부 필름에 모이면 필름의 하부층에 있는 전하보다 더 큰 자연 전하를 생성한다. 두 층 사이의 불균형은 번개가 구름에서 형성되는 방식과 유사하게 전류를 효과적으로 생성한다 .
"공기는 엄청난 양의 전기를 포함하고 있습니다."라고 새 논문의 수석 저자인 Yao는 말한다. "물방울 덩어리에 불과한 구름을 생각해 보십시오. 각 물방울에는 전하가 포함되어 있으며 조건이 맞으면 구름이 번개를 일으킬 수 있다. 그러나 우리는 전기를 안정적으로 포착하는 방법을 모른다. 번개로부터 가능하다. 우리가 한 일은 전기를 수확할 수 있도록 예측 가능하고 지속적으로 전기를 생산하는 인간이 만든 소규모 구름을 만드는 것이다."
Yao는 전기 생성 효과가 기공 크기에만 기반하기 때문에 시스템이 다양한 재료로 만들어질 수 있다고 말한다.
"아이디어는 간단하지만 이전에 발견된 적이 없으며 모든 가능성을 열어줍니다."라고 그는 말했다. "수확기는 문자 그대로 모든 종류의 재료로 설계될 수 있으며 비용 효율적이고 환경에 적응할 수 있는 제조를 위한 광범위한 선택을 제공합니다. 수확기가 열대우림 환경을 위한 한 종류의 재료로 만들어지고 더 건조한 지역을 위해 다른 재료로 만들어지는 것을 상상할 수 있습니다."
수확 시스템은 작동하기 위해 공기 중의 수분에 의존하지만 팀의 이전 연구에서 보여주듯이 풍부한 습도가 필요하지 않으며 이론적으로 사막 조건에서도 작동할 수 있다.
희박한 공기에서 전기를 수확하는 것을 목표로 하는 연구를 본 것은 이번이 처음이 아니다. 작년에 Strategic Energy라는 호주 회사 는 전기를 생성하기 위해 인체에서 생성되는 땀과 같은 주변 수분에 의존하는 "Energy Ink" 기술을 발표한 후 주가가 급등했다 . 그리고 그 전에 텔아비브 대학의 과학자들은 폭풍우 구름을 영감으로 사용하고 대기 수증기와 금속 표면을 사용하여 전압을 생성했다.
그럼에도 불구하고 UMass Amherst 연구가 실제 응용 프로그램으로 이어진다면 순수한 단순성을 기반으로 이 분야에서 중요한 진전이 될 수 있다. 또한 연구팀은 나노필름이 매우 작기 때문에 적층이 간단하고 킬로와트 수준의 전력 생산이 가능할 것이라고 말했다.
이 연구는 Advanced Materials 저널에 게재되었다. 출처: 유매스 애머스트
