計(jì)量論壇

標(biāo)題: 碳納米管能夠產(chǎn)生被新能源系統(tǒng)所利用的強(qiáng)大的熱電波 [打印本頁]

作者: 新聞專員    時(shí)間: 2010-3-10 19:13
標(biāo)題: 碳納米管能夠產(chǎn)生被新能源系統(tǒng)所利用的強(qiáng)大的熱電波
戴維·錢德勒(David L. Chandler) 2010-3-8

     美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的一組科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一種之前人所未知的現(xiàn)象,即通過被稱為碳納米管(carbonnanotube)的微小細(xì)線可以造成強(qiáng)烈的能量波的激發(fā)。研究者說,這一發(fā)現(xiàn)可能能夠產(chǎn)生新的發(fā)電方式。

     這種現(xiàn)象,研究者將其描述為熱電波(thermopower wave),“開辟了能源研究的一個(gè)新領(lǐng)域,一個(gè)很少涉及的領(lǐng)域,”MIT的查爾斯與希爾達(dá)·洛蒂化學(xué)工程副教授(Charles and Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering)邁克爾·斯特拉諾(MichaelStrano)說,他也是發(fā)表在3月7日《自然材料》(Nature Materials)雜志上、描述這一新發(fā)現(xiàn)的論文的通訊作者。第一作者是蔡元俊(Wonjoon Choi),一名機(jī)械工程(mechanicalengineering)專業(yè)的博士生。

     就像聚集在一起的浮游物在海面上隨著波浪起伏而移動(dòng)一樣,這種現(xiàn)象產(chǎn)生了一種熱波(thermal wave)——一種移動(dòng)的熱脈沖(pulse of heat)——沿著一個(gè)能驅(qū)使電子(electron)向前運(yùn)動(dòng)的微小細(xì)管移動(dòng),最終產(chǎn)生電流(electrical current)。

     這種方法的主要組成部分是碳納米管——一種由像雞籠的輕質(zhì)鐵絲網(wǎng)一樣格子框架的碳原子(carbon atom)組成的亞微觀空心管(submicroscopic hollow tube)。這些管子的直徑只有幾納米(十億分之一米),是新型碳分子(novel carbon molecule)家族中的一員,包括足球烯(buckyball,也譯作巴基球)和石墨板(graphene sheet)兩部分,是近二十年來全球研究的對(duì)象。


碳納米管在涂上燃料層并被點(diǎn)燃時(shí),能夠產(chǎn)生強(qiáng)大的能量波,同時(shí)熱量沿著納米管傳遞。供圖:克里斯汀·丹尼洛夫(Christine Daniloff)

一種之前人所未知的現(xiàn)象

     在最新的實(shí)驗(yàn)中,這些既導(dǎo)電又導(dǎo)熱的納米管中的每一根都涂上了一層反應(yīng)燃料(reactivefuel),這種反應(yīng)燃料能夠通過分解產(chǎn)生熱量。然后,這些燃料被激光束(laser beam)或者高壓火花(high-voltage spark)從納米管的一端點(diǎn)燃,同時(shí)產(chǎn)生一種快速移動(dòng)的熱波沿著碳納米管移動(dòng),就像火焰沿著點(diǎn)燃的導(dǎo)火索快速移動(dòng)一樣。隨后,燃料分解產(chǎn)生的熱量進(jìn)入納米管,而熱量在納米管中傳遞的速度比在燃料自身傳遞的速度快幾千倍。隨著納米管里的熱量反饋到燃料涂層上,一種沿著納米管移動(dòng)的熱波就產(chǎn)生了。當(dāng)溫度達(dá)到3000開爾文(Kelvin,熱力熱溫度,等于攝氏溫度加273),這個(gè)熱量環(huán)(ring of heat)沿著納米管移動(dòng)的速度將比這類化學(xué)反應(yīng)(chemicalreaction)的正常傳遞速度快10000倍。燃燒產(chǎn)生的熱量,向外傳遞,同時(shí)也促使電子沿著納米管移動(dòng),最后產(chǎn)生大量的電流。

     燃燒波(Combustion wave)——就像沿著一條線飛馳的熱脈沖——“已經(jīng)被精確地研究了上百年,”斯特拉諾說,不過他是預(yù)測(cè)這種波能夠被納米管或納米導(dǎo)線(nanowire)引導(dǎo),同時(shí)這種熱波能夠促使電流沿著導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的第一人。

在團(tuán)隊(duì)最初的實(shí)驗(yàn)中,斯特拉諾說,當(dāng)他們給涂有燃料層的碳納米管接通電源(產(chǎn)生高壓電火花,點(diǎn)燃涂層燃料)準(zhǔn)備研究其反應(yīng)時(shí),“你瞧!我們被由此產(chǎn)生的、沿著納米導(dǎo)線傳遞的電壓波峰峰值所震撼。”

     在進(jìn)一步的開發(fā)之后,這個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)在產(chǎn)生的能量,與納米管的重量成正比,比等量的鋰離子電池(lithium-ion battery)產(chǎn)生的電量多大約100倍。

     釋放能量的量,他說,比電熱計(jì)算(thermoelectriccalculation)預(yù)測(cè)的量多很多。然而很多半導(dǎo)體材料(semiconductor material)在加熱時(shí)能夠通過塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)這種形式產(chǎn)生電勢(shì)能(electric potential),但是在碳中發(fā)生的塞貝克效應(yīng)很微弱。“這里有一些其他的事情發(fā)生,”他說。“我們將其稱為電子夾帶(electron entrainment),因?yàn)椴糠蛛娏鞅憩F(xiàn)出與波速成比例的態(tài)勢(shì)。”

     這種熱波,他解釋說,夾帶著電荷載體(electrical chargecarrier)(也可以說電子或者電子空穴【electron hole】),就像海浪拾起并攜帶著一堆聚集在一起的廢棄物沿著海面移動(dòng)一樣。這一重要的特性才使得系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高能量,斯特拉諾說。

探索可能的應(yīng)用

     因?yàn)檫@是一個(gè)如此新的發(fā)現(xiàn),他說,很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)它的實(shí)際應(yīng)用將是什么。但是他表示一個(gè)可能的應(yīng)用將是開發(fā)新型的超小型電子設(shè)備(ultra-small electronic device) ——比如,米粒大小的設(shè)備,可能是具有傳感器(sensor)或者處理裝置的、能夠被植入人類身體的設(shè)備。或者它可能引導(dǎo)開發(fā)出“能夠像空氣中的塵埃一樣散開的環(huán)境傳感器,”他說。

     理論上,他說,這種設(shè)備應(yīng)該能夠無限期地保持它們的電量,直到它們被使用;不像電池,當(dāng)它們未被使用時(shí)電荷也在漸漸泄漏。同時(shí)這是個(gè)體納米導(dǎo)線比較微小時(shí)的情形,斯特拉諾表示,它們也可以被做成大型陣列來為更大型的設(shè)備提供大量的能量。

     研究者同時(shí)也計(jì)劃繼續(xù)研究他們理論的另一個(gè)方面:即通過使用不同種類的反應(yīng)材料作為涂層,波頭(wave front)就能夠擺動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生交流電(alternating current)【譯注:交流電的大小和方向都在發(fā)生周期性變化】。這將開辟多種可能性,斯特拉諾說,因?yàn)榻涣麟娛菬o線電(radio wave)比如手機(jī)、廣播的基礎(chǔ),但是目前的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)產(chǎn)生的都是直流電(direct current)。“我們的理論在我們開始在數(shù)據(jù)中觀察它們之前,預(yù)測(cè)了這些波頭的擺動(dòng),”他說。

     同時(shí),目前的系統(tǒng)效率低下,因?yàn)榇罅康哪芰恳詿崃炕蛘吖獾男问奖会尫帕恕_@個(gè)研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃進(jìn)行研究,提高其工作效率。

雷·鮑曼(Ray Baughman),位于達(dá)拉斯(Dallas)的得克薩斯大學(xué)納米技術(shù)研究所(Nanotech Instituteat the University of Texas)主任,他沒有參入這項(xiàng)研究,稱這項(xiàng)研究是“恒星閃耀般的”研究。

     這項(xiàng)研究,鮑曼說,“一開始就成為一個(gè)對(duì)后來研究具有重要意義的原始思想,這個(gè)思想某些人可能會(huì)為之著迷,同時(shí)提供令人興奮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果;這一新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),深入了我們對(duì)理論的理解,同時(shí)有望投入應(yīng)用。”因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了一個(gè)之前人所未知的現(xiàn)象,他說,他可能能夠開啟“一個(gè)令人興奮的研究新領(lǐng)域。”




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