Grafeen genereert een elektrisch stroompje als je het half in zout water dompelt en vervolgens op en neer beweegt. Veel is het niet maar je kunt er misschien nét een sensor mee voeden, schrijven Chinese onderzoekers in Nature Communications.

Uiteraard heeft dat pas echt zin wanneer het zoute water uit zichzelf op en neer klotst zodat je de sensor niet hoeft aan te drijven. Maar op zee is dat niet zo’n punt. De Chinezen denken al aan een tsunamimonitor die zichzelf inschakelt zodra het klotsen iets te hard gaat.

Waar die elektriciteit vandaan komt is nog niet helemaal zeker. Maar het werkt alleen zolang een deel van het grafeen boven water blijft, en dat sluit nogal wat mogelijke mechanismes uit.

Op basis van theoretische berekeningen vermoeden de auteurs dat het komt doordat grafeen wel natriumionen adsorbeert maar geen chloride. Onder water krijg je hierdoor een elektrische dubbellaag, met Na⁺ dat direct op het grafeen zit en Cl^- als tegenionen op een afstandje.

Duw je het grafeen dieper het water in zodat er plek ontstaat voor extra ionen, dan wordt Na⁺ net iets sneller aangezogen dan Cl^-. Er ontstaat een tijdelijk tekort aan negatieve lading, dat wordt aangevuld vanuit het grafeen. Lokaal stijgt dus de potentiaal van dat grafeen. Dieper onder water zijn grafeen en dubbellaag wel in evenwicht en blijft de potentiaal hetzelfde. Voilà het potentiaalverschil dat je via draadjes aan de boven-en onderrand van het grafeen kunt aftappen.

Stopt de beweging van het grafeen, dan is het potentiaalverschil vrijwel meteen weg. Haal je het daarna weer uit het water, dan krijg je het omgekeerde effect en loopt de stroom de andere kant op.

De Chinezen habben het uitgeprobeerd met een vel enkellaags grafeen van 10 cm lang en 2 cm breed (op zich al een prestatie!), op een isolerende drager van PET-kunststof die ze met 3,1 cm/s op en neer bewogen in 0,6 M NaCl-oplossing als namaak-zeewater. Het leverde een zaagtandvormige wisselspanning op met pieken van plus of min 3,3 millivolt.

Een poging met tweelaagsgrafeen leverde spanningen op die een ordegrootte lager waren, en bij een hele reeks andere materialen was het minstens honderd maal minder.

Verdere proeven lieten zien dat je met hetzelfde stuk grafeen zelfs kortstondig 0,1 V kunt halen als je de beweging versnelt tot ongeveer 1 m/s. De negatieve spanning bij het uit het water trekken is dan wel vele malen lager, omdat het grafeen met beperkte snelheid opdroogt. Als kortsluitstroom wordt 11 microampère opgegeven, en de Chinezen hebben experimenteel vastgesteld dat het voldoende is om een kikker een significante spiercontractie te bezorgen.

Voor een sensor zul je waarschijnlijk grotere stukken grafeen moeten maken die je in serie zet voor een hoger voltage, maar dat is een kwestie van knutselen.

bron: Nature Communications