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離子濃度影響電流生成量

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。而奈米管道內電流的生成量,會隨著水溶液的離子濃度高低有所不同。
 
 
 
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。
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