Ett kolnanorör (visat i illustrationen) kan producera en mycket snabb kraftvåg när den täcks av ett lager bränsle och antänds, så att värme färdas längs röret. Grafik:Christine Daniloff
(PhysOrg.com) -- Ett team av forskare vid MIT har upptäckt ett tidigare okänt fenomen som kan få kraftfulla vågor av energi att skjuta genom små ledningar som kallas kolnanorör. Upptäckten kan leda till ett nytt sätt att producera el, säger forskarna.
Fenomenet, beskrivs som termokraftvågor, "öppnar upp ett nytt område av energiforskning, vilket är sällsynt, säger Michael Strano, MIT:s Charles och Hilda Roddey docent i kemiteknik, som var seniorförfattare till en artikel som beskrev de nya rönen som dök upp i Naturmaterial den 7 mars. Huvudförfattaren var Wonjoon Choi, en doktorand i maskinteknik.
Som en samling flytgods som drivs längs ytan av vågor som färdas över havet, det visar sig att en termisk våg - en rörlig värmepuls - som färdas längs en mikroskopisk tråd kan driva elektroner, skapar en elektrisk ström.
Nyckelingrediensen i receptet är kolnanorör - submikroskopiska ihåliga rör gjorda av ett kycklingtrådsliknande galler av kolatomer. Dessa rör, bara några miljarddels meter (nanometer) i diameter, är en del av en familj av nya kolmolekyler, inklusive buckyballs och grafenark, som har varit föremål för intensiv världsomspännande forskning under de senaste två decennierna.
Ett tidigare okänt fenomen
I de nya experimenten, vart och ett av dessa elektriskt och termiskt ledande nanorör belades med ett lager av ett reaktivt bränsle som kan producera värme genom att sönderdelas. Detta bränsle antändes sedan i ena änden av nanoröret med antingen en laserstråle eller en högspänningsgnista, och resultatet var en snabbrörlig termisk våg som färdades längs med kolnanoröret som en låga som rusade längs med en tänd säkring. Värme från bränslet går in i nanoröret, där den färdas tusentals gånger snabbare än i själva bränslet. När värmen matas tillbaka till bränslebeläggningen, en värmevåg skapas som leds längs nanoröret. Med en temperatur på 3, 000 Kelvin, denna ring av värme hastigheter längs röret 10, 000 gånger snabbare än den normala spridningen av denna kemiska reaktion. Uppvärmningen som produceras av den förbränningen, det visar sig, skjuter också elektroner längs röret, skapar en betydande elektrisk ström.
Förbränningsvågor - som denna värmepuls som slingrar längs en tråd - "har studerats matematiskt i mer än 100 år, " säger Strano, men han var den första som förutspådde att sådana vågor kunde styras av ett nanorör eller nanotråd och att denna värmevåg kunde driva en elektrisk ström längs den tråden.
I gruppens första experiment, Strano säger, när de kopplade ihop kolnanorören med deras bränslebeläggning för att studera reaktionen, "ser man på, vi blev verkligen förvånade över storleken på den resulterande spänningstoppen” som fortplantade sig längs tråden.
Efter ytterligare utveckling, systemet lägger nu ut energi, i proportion till dess vikt, cirka 100 gånger större än en motsvarande vikt av ett litiumjonbatteri.
Mängden ström som frigörs, han säger, är mycket större än vad som förutspås av termoelektriska beräkningar. Medan många halvledarmaterial kan producera en elektrisk potential vid uppvärmning, genom något som kallas Seebeck-effekten, den effekten är mycket svag i kol. "Det är något annat som händer här, " han säger. "Vi kallar det elektronindragning, eftersom en del av strömmen verkar skala med våghastighet."
Den termiska vågen, han förklarar, verkar dra med sig de elektriska laddningsbärarna (antingen elektroner eller elektronhål) precis som en havsvåg kan plocka upp och bära en samling skräp längs ytan. Denna viktiga egenskap är ansvarig för den höga effekt som produceras av systemet, säger Strano.
Utforska möjliga tillämpningar
Eftersom detta är en så ny upptäckt, han säger, det är svårt att förutsäga exakt vad de praktiska tillämpningarna kommer att vara. Men han föreslår att en möjlig tillämpning skulle vara att möjliggöra nya typer av ultrasmå elektroniska enheter - till exempel, enheter lika stora som riskorn, kanske med sensorer eller behandlingsapparater som skulle kunna injiceras i kroppen. Eller det kan leda till "miljösensorer som kan spridas som damm i luften, " han säger.
I teorin, han säger, sådana anordningar kan behålla sin kraft på obestämd tid tills de används, till skillnad från batterier vars laddningar läcker bort gradvis när de står oanvända. Och medan de enskilda nanotrådarna är små, Strano föreslår att de skulle kunna tillverkas i stora arrayer för att leverera betydande mängder ström till större enheter.
Forskarna planerar också att fortsätta med en annan aspekt av sin teori:att genom att använda olika typer av reaktiva material för beläggningen, vågfronten kunde svänga, producerar således en växelström. Det skulle öppna upp en mängd olika möjligheter, Strano säger, eftersom växelström är grunden för radiovågor som mobiltelefonsändningar, men nuvarande energilagringssystem producerar alla likström. "Vår teori förutspådde dessa svängningar innan vi började observera dem i våra data, " han säger.
Också, de nuvarande versionerna av systemet har låg effektivitet, eftersom mycket kraft avges som värme och ljus. Teamet planerar att arbeta med att förbättra det.
