微水流作为新能源〜利用关注材料石墨烯和水流的能量收集系统的可能性〜

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演示要点

〇石墨烯，一种纳米材料^（注1）我们分析了水在上面流动的发电现象中水的流动状态与发电量之间的相关性。
〇·微信^(注2），流动从不规则状态发展为层流^（注3）过渡期间发电量最大化
〇​有望发展成利用雨滴、河流、内部水管等生活环境中的微小水流进行能量收集。

摘要

　随着全球能源需求的增加，人们希望开发从直接环境中收集能量的技术，即能量收集。
　东北大学工学研究科冈田健副教授、该大学流体科学研究所小宫敦树教授、V体育名誉教授种村雅幸、本田光宏副教授、大阪大学工学研究科客座教授山下一郎组成的研究小组正在研究微小水流在石墨烯上流动时产生的发电现象^（注4）为研究对象，通过实验和数值模拟，明确了适合发电的水流条件。该结果将为利用生活环境中存在的许多微小水流的发电装置的最佳安装位置提供指导，并有望实现高效的能量收集系统。
　该研究成果将于2024年10月28日发表在美国物理学会出版的科学期刊上

研究背景

　随着全球能源需求的增加，能量收集的研究和开发以及寻找新能源变得越来越重要。可用于能量收集的能源有很多种，例如光、风、热和振动，但研究小组专注于“微观水流”。地球表面附近的液态水以多种形式存在，包括雨滴、河流、海洋以及生活环境。虽然大部分水在流动，但只有一部分可以用于常规水力发电，而且很多由于水量不足而无法用作能源。
　最近的研究表明，当水流过石墨烯（一种二维纳米材料）时，石墨烯本身会发电。然而，挑战之一是最大化发电所需的流动条件尚未阐明。为了在社会上实施能量收集系统，有必要阐明对发电有效的流动条件，并选择合适的安装位置和方法。此外，从学术角度来看，这是一个重要的研究课题，因为它可能会导致现有理论的扩展。因此，研究小组致力于通过微通道发电实验和数值模拟来阐明流体之间的相关性。

此举措

　首先，我们用夹在玻璃之间的石墨烯制作了微通道（总长约5厘米，宽度约3毫米），并测量了用注射泵施加水流时的电压（图1）。这时我们调整负载电阻的大小，设定最佳输出的条件。结果，获得的典型电压波形响应于水流的施加而反复打开和关闭（图2（a）），这证实了只要水流持续存在就可以维持发电。此外，在石墨烯在流道内的位置变化的实验中，发现电动势根据距入口的距离而变化很大，最高电压出现在流道中心附近（图2（b））。
接下来，我们利用数值模拟分析了流动状态。图 3 以色标显示了微通道内的速度分布。在入口 (x=0) 附近观察到复杂且不规则的速度分布，但可以看出，当流向通道中心时，流动变得更加均匀。该结果表明，流动从入口处的不规则流动状态发展到层流。
　此外，根据数值模拟获得的流速分布，计算了流动状态转变为理想层流的指标（转变比率），并确定了与实验中获得的电动势的相关性。图4中的纵轴表示实验中获得的电动势，横轴表示指示向层流转变过程的指标。这种相关性表明，在从不规则流状态转变为层流状态的过程中会产生很大的电动势。由此，我们可以期望通过利用流体状态变化的位置或发生流体状态转变的通道来提高利用微小水流发电的效率。
　本研究揭示的微小水流发电的最佳条件表明，生活环境中的微小水流可以通过有效利用来发电，有望实现紧凑且对环境无影响的新型用水方式的实现和社会实施。

图1微通道示意图。

　

图 2(a) 典型生成的电压波形。 (b) 流路中的位置与产生的电动势之间的关系。

　

图3通过数值模拟得到的流速分布可视化数据。 z方向是流路的厚度方向，表示50mm间隔的流速分布。
水流从x=0、z=300mm的位置进入。石墨烯位于x轴上的任意点，z=0mm。

　

图4流动状态转变过程与产生的电动势之间的相关性。流动完全发展并变成层流的点对应于图 3 中的 x=30。

未来发展

　通过这项研究，我们为如何以及在何处将生活环境中存在的微小水流用作发电装置提供了指导。未来的挑战将是增加产量和设计着眼于社会实施的设备。作为一个研究小组，我们正在对水流到电能的能量转换机制进行更深入的研究，并期待其应用于小型传感器和应急电源。我们还计划研究在地下水和海洋中应用的可能性。
另一方面，在学术上，“利用微水流发电”可以从“石墨烯中水分子的运动和电子传输”的角度来看待，可以成为连接电子工程、材料科学和流体科学的新研究领域。未来，预计会有许多发展，包括以前所未有的概念运行的传感器和电子设备。

致谢

这项研究得到了科学研究补助金 JP18K04880、JP24K01357 和在V体育进行的文部科学省材料高级研究基础设施项目（项目编号：JPMXP12 23NI5501）的部分支持。

术语表

注1石墨烯
一种二维纳米材料，是由单层碳原子以蜂窝状连接组成的碳同素异形体。包括下一代电子设备在内的各个领域正在研究的材料。

注2微信
具有由玻璃、塑料或硅胶材料制成的微观结构的流道。用于医疗和半导体领域。

注3层流
指示流的状态。流经通道的流体沿流动方向规则流动的状态。

注4石墨烯上流动的微小水流产生发电现象
对于这种发电现象，人们提出了各种理论和机制，但所有这些理论和机制都仅在有限的条件下成立，并且细节尚未阐明。

论文信息

标题：研究流动动力学与流动感应电压产生之间的相关性
作者：Hikaru Takeda、Naoya Iwamoto、Mitsuhiro Honda、Masaki Tanemura、Ichiro Yamashita、Atsuki Komiya 和 Takeru Okada*
*通讯作者：东北大学工学研究科电子工学系副教授冈田健
发表于：《应用物理快报》125, 184101 (2024)
DOI：101063/50230115
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