碳納米管能夠產生被新能源系統所利用的強大的熱電波

戴維·錢德勒（David L. Chandler） 2010-3-8

     美國麻省理工學院（MIT）的一組科學家已經發現一種之前人所未知的現象，即通過被稱為碳納米管（carbonnanotube）的微小細線可以造成強烈的能量波的激發。研究者說，這一發現可能能夠產生新的發電方式。

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

     就像聚集在一起的浮游物在海面上隨著波浪起伏而移動一樣，這種現象產生了一種熱波（thermal wave）——一種移動的熱脈沖（pulse of heat）——沿著一個能驅使電子（electron）向前運動的微小細管移動，最終產生電流（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鐵絲網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象。


碳納米管在涂上燃料層并被點燃時，能夠產生強大的能量波，同時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象

     在最新的實驗中，這些既導電又導熱的納米管中的每一根都涂上了一層反應燃料（reactivefuel），這種反應燃料能夠通過分解產生熱量。然后，這些燃料被激光束（laser beam）或者高壓火花（high-voltage spark）從納米管的一端點燃，同時產生一種快速移動的熱波沿著碳納米管移動，就像火焰沿著點燃的導火索快速移動一樣。隨后，燃料分解產生的熱量進入納米管，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的熱波就產生了。當溫度達到3000開爾文（Kelvin，熱力熱溫度，等于攝氏溫度加273），這個熱量環（ring of heat）沿著納米管移動的速度將比這類化學反應（chemicalreaction）的正常傳遞速度快10000倍。燃燒產生的熱量，向外傳遞，同時也促使電子沿著納米管移動，最后產生大量的電流。

     燃燒波（Combustion wave）——就像沿著一條線飛馳的熱脈沖——“已經被精確地研究了上百年，”斯特拉諾說，不過他是預測這種波能夠被納米管或納米導線（nanowire）引導，同時這種熱波能夠促使電流沿著導線運動的第一人。

在團隊最初的實驗中，斯特拉諾說，當他們給涂有燃料層的碳納米管接通電源（產生高壓電火花，點燃涂層燃料）準備研究其反應時，“你瞧！我們被由此產生的、沿著納米導線傳遞的電壓波峰峰值所震撼。”

     在進一步的開發之后，這個系統現在產生的能量，與納米管的重量成正比，比等量的鋰離子電池（lithium-ion battery）產生的電量多大約100倍。

     釋放能量的量，他說，比電熱計算（thermoelectriccalculation）預測的量多很多。然而很多半導體材料（semiconductor material）在加熱時能夠通過塞貝克效應（Seebeck effect）這種形式產生電勢能（electric potential），但是在碳中發生的塞貝克效應很微弱。“這里有一些其他的事情發生，”他說。“我們將其稱為電子夾帶（electron entrainment），因為部分電流表現出與波速成比例的態勢。”

     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一樣。這一重要的特性才使得系統能夠產生高能量，斯特拉諾說。

探索可能的應用

     因為這是一個如此新的發現，他說，很難準確預測它的實際應用將是什么。但是他表示一個可能的應用將是開發新型的超小型電子設備（ultra-small electronic device） ——比如，米粒大小的設備，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備。或者它可能引導開發出“能夠像空氣中的塵埃一樣散開的環境傳感器，”他說。

     理論上，他說，這種設備應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，當它們未被使用時電荷也在漸漸泄漏。同時這是個體納米導線比較微小時的情形，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備提供大量的能量。

     研究者同時也計劃繼續研究他們理論的另一個方面：即通過使用不同種類的反應材料作為涂層，波頭（wave front）就能夠擺動，進而產生交流電（alternating current）【譯注：交流電的大小和方向都在發生周期性變化】。這將開辟多種可能性，斯特拉諾說，因為交流電是無線電（radio wave）比如手機、廣播的基礎，但是目前的能量儲存系統產生的都是直流電（direct current）。“我們的理論在我們開始在數據中觀察它們之前，預測了這些波頭的擺動，”他說。

     同時，目前的系統效率低下，因為大量的能量以熱量或者光的形式被釋放了。這個研究團隊計劃進行研究，提高其工作效率。

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

     這項研究，鮑曼說，“一開始就成為一個對后來研究具有重要意義的原始思想，這個思想某些人可能會為之著迷，同時提供令人興奮的實驗結果；這一新現象的發現，深入了我們對理論的理解，同時有望投入應用。”因為它發現了一個之前人所未知的現象，他說，他可能能夠開啟“一個令人興奮的研究新領域。”