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。”