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離子濃度影響電流生成量

98/06/05 26957

張志玲｜《科學發展》特約文字編輯（文字整理）

科學家在 20 世紀初期發現：流體流動會形成電流，這個機制可用在機械能與電能的轉換上。進入奈米時代後，荷蘭戴爾夫特科技大學（Delft University of Technology）奈米科學所的研究團隊想要知道：在微小尺度下，這個機制的轉換效率能否提升？結果發現：奈米管道內電流的生成量，會隨著水溶液的離子濃度高低而有所不同。不過他們有一個困擾，就是必須採用兩種傳統理論描述量測結果。

成功大學工程科學系楊瑞珍教授與他的研究團隊認為，造成困擾的原因與尺度奈米化有關。於是採用「修正奈米管道內離子濃度的概念」，來改良傳統理論估計電流值所產生的誤差，經過修正後，果然成功地預測出「流動電流隨離子濃度改變所形成的變化趨勢」，而研究結果也可用來協助了解離子在奈米管道內的傳輸行為。相關內容發表在 2007 年的《奈米科技》（Nanotechnology）期刊上。

當水溶液與大部分基材（矽、玻璃、高分子材料等）接觸時，基材表面會因為水溶液的存在而帶電。如果基材表面帶電，水溶液裡的帶電離子便會因為吸引（異性電）、排斥（同性電）而形成局部的非電中性區域，也就是大約幾個奈米範圍內的淨電荷聚集區，稱為「電雙層結構」。如果流道內的溶液受到壓力差作用，電雙層結構內的淨電荷會因為流體流動而產生電流，稱為流動電流。把輸入的壓力源轉換成電能輸出的設備，就是電動電池。

可是，電雙層結構的尺寸在正常的微米（1 微米相當於 1,000 奈米）尺度流道內僅占非常小的比率，因此只能產生微乎其微的的電流，對於形成電流的貢獻不大。如果把流道縮小到奈米尺度，電雙層結構會涵蓋整個流道。一旦整個流道形成非電中性區域，就會發生電雙層結構的重疊現象，流動電流也就跟著大幅提升。這時若再結合陣列式結構，便可輸出可觀的電流，進而啟動電器。

科學上早已確認，表面電荷密度會隨離子濃度的改變而產生明顯變化。但是，降低電解液濃度而使得電雙層結構重疊，其表面電荷密度並不會隨著電解液濃度發生變化。主要因為：在奈米尺度下，構成電雙層結構所需的離子數目超過了溶液提供的數量，使得流道內出現電位差異，這些電位差異會吸引周遭離子而構成平衡態的電雙層結構。覺察到這些現象後，楊教授團隊決定以「適度修正電解液濃度」的做法，來描述奈米管道內的離子行為。這個修正主要在描繪：淨電荷濃度有別於原本的電解液濃度。

經過這樣的修正後，不但可以合理地預測出「流動電流伴隨離子濃度改變所形成的變化趨勢」，還可以找到最佳的電流輸出量。同時推測出：當水溶液離子濃度變低和管道截面縮小時，會造成表面電導性增強，並且有使得電導性呈現定值的趨勢。藉由上述的研究結果，也可以進一步了解在奈米流道內的離子傳輸特性。

資料來源

《科學發展》2009年6月，438期，76 ~ 77頁。

奈米尺度(7) 科發月刊(5210)

離子濃度影響電流生成量

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