Новое открытие перевернет основы энергетики

Команда ученых в MIT обнаружила ранее неизвестное явление, которое может вызвать мощные волны импульсов энергии в микроскопических проводах, известных как углеродные нанотрубки.

Открытие может привести к новому способу производства электричества, говорят исследователи.

Явление, описанное как термоэнергетические волны, "открывает новую область исследования энергии, что является редким случаем," говорит Майкл Страно(Michael Strano), профессор кафедры химической технологии MIT , который был главным автором отчета, описывающим новые полученные данные, который был опубликован в Nature Materials 7 марта. Ведущий автор Вун Чой (Wonjoon Choi), докторант машиностроения.

Оказывается тепловая волна, перемещающая импульс высокой температуры, по микроскопическому проводу может перемещать электроны впереди себя, создавая электрический ток.

Ключевой компонент способа - углеродные нанотрубки - микроскопические полые трубы, которые образуют решетку атомов углерода, подобно куриной коже. Эти трубки, имеют диаметр несколько миллиардных частей метра (миллимикроны), являются частью семьи новых углеродных молекул, включая шаровидный фуллерен и графен , которые были предметом интенсивного международного исследования прошлые два десятилетия.

Неизвестное ранее явление

В новых экспериментах, каждая из электро и тепло-проводящих нанотрубок была покрыта слоем реактивного топлива, которое может производить высокую температуру при разложении. Это топливо было тогда зажжено в одном конце нанотрубки, с использованием или лазерного луча или искры высокого напряжения, и результатом была стремительная тепловая волна, идущая вдоль углерода нанотрубки как пламя, ускоряющая вдоль освещенного плавкого предохранителя. Высокая температура топлива передается в нанотрубку, в тысячу раз быстрее, чем непосредственно в топливе. Топливное покрытие как источник высокой температуры, создает тепловую волну, которая управляется управляется нанотрубкой. При температуре 3 000 К, это кольцо скоростей высокой температуры по трубе в 10 000 раз быстрее чем нормальное распространение этой химической реакции. Нагревание, произведенное тем сгоранием, оказывается, также выдвигает электроны по трубе, создавая существенный электрический поток.

Волны сгорания, как импульс высокой температуры, мчащейся по проводу,"были изучены математически в течение больше чем 100 лет," говорит Страно, но он был первым, чтобы предсказать, что такие волны могли управляться нанотрубками или нанопроволокой и что эта волна высокой температуры может создавать электрический ток в этом проводе.

В начальных экспериментах группы, говорит Страно, когда они телеграфировали углерод нанотрубками с их топливным покрытием, чтобы изучить реакцию, "Ло и созерцает, мы действительно удивлялись размером получающегося пика напряжения", это размножалось по проводу.

После дальнейшего развития, система теперь производит энергию, в пропорции к ее весу, приблизительно в 100 раз больше, чем литиевые батареи эквивалентного веса.

Количество получаемой энергии, он говорит, намного больше чем предсказанное термоэлектрическими вычислениями. Несмотря на то, что много полупроводниковых материалов могут произвести электричество при нагревании, согласно эффекту Зеебека, этот эффект очень слаб в углероде."Есть что-то случайное в этом открытии" - говорит Страно "Мы назвали это явление электронным захватом, так как сила тока, возможно, измеряется скоростью волны."

Тепловая волна, он объясняет, возможно, определяет электрическую энергию (или электроны или электронные отверстия) так же, как океанская волна может собрать и нести мусор на поверхности. Эта важная особенность ответственна за высокую энергию, производимую системой, говорит ученый.

Исследование возможного применения

Поскольку это - такое новое открытие, он говорит, трудно предсказать точно, какое будет его практическое применение. Но он предплагает, что одно возможное применение было бы в предоставлении возможности новых видов ультрамаленьких электронных устройств - например, устройства размером с зернышко риса, возможно с датчиками или устройствами обработки, которые могли быть введены в тело. Или это могло применяться "в экологических датчиках, которые могут быть рассеяны как пыль в воздухе," говорит он.

В теории, он говорит, такие устройства могли сохранять энергию неопределенно долго, пока они не используется, в отличие от батарей, энергия которых уменьшается постепенно, поскольку они неиспользуются. Страно предполагает, что при большом количестве нанопроволок, они могут поставлять много энергии и для больших устройств.

Ученые также планируют исследовать другой аспект их теории: когда при использовании различных видов реактивных материалов для покрытия, фронт волны мог бы колебаться, таким образом производить переменный ток. Это открыло бы разнообразие возможностей, Страно говорит, потому что переменный ток является основой радиоволн, типа передач сотового телефона, но все существующие системы хранения энергии, производят постоянный ток. "Наша теория предсказала эти колебания прежде, чем мы начали наблюдать их в наших данных," говорит он.

Кроме того, существующие типы системы имеют низкую эффективность, потому что большая энергия испускается как высокая температура и свет. Команда планирует работать над улучшением этого.