碳纳米管能够产生被新能源系统所利用的强大的热电波

戴维·钱德勒（David L. Chandler） 2010-3-8

     美国麻省理工学院（MIT）的一组科学家已经发现一种之前人所未知的现象，即通过被称为碳纳米管（carbonnanotube）的微小细线可以造成强烈的能量波的激发。研究者说，这一发现可能能够产生新的发电方式。

     这种现象，研究者将其描述为热电波（thermopower wave），“开辟了能源研究的一个新领域，一个很少涉及的领域，”MIT的查尔斯与希尔达·洛蒂化学工程副教授（Charles and Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering）迈克尔·斯特拉诺（MichaelStrano）说，他也是发表在3月7日《自然材料》（Nature Materials）杂志上、描述这一新发现的论文的通讯作者。第一作者是蔡元俊（Wonjoon Choi），一名机械工程（mechanicalengineering）专业的博士生。

     就像聚集在一起的浮游物在海面上随着波浪起伏而移动一样，这种现象产生了一种热波（thermal wave）——一种移动的热脉冲（pulse of heat）——沿着一个能驱使电子（electron）向前运动的微小细管移动，最终产生电流（electrical current）。

     这种方法的主要组成部分是碳纳米管——一种由像鸡笼的轻质铁丝网一样格子框架的碳原子（carbon atom）组成的亚微观空心管（submicroscopic hollow tube）。这些管子的直径只有几纳米（十亿分之一米），是新型碳分子（novel carbon molecule）家族中的一员，包括足球烯（buckyball，也译作巴基球）和石墨板（graphene sheet）两部分，是近二十年来全球研究的对象。

碳纳米管图1

碳纳米管图2

碳纳米管图3

碳纳米管在涂上燃料层并被点燃时，能够产生强大的能量波，同时热量沿着纳米管传递。供图：克里斯汀·丹尼洛夫（Christine Daniloff）

一种之前人所未知的现象

     在最新的实验中，这些既导电又导热的纳米管中的每一根都涂上了一层反应燃料（reactivefuel），这种反应燃料能够通过分解产生热量。然后，这些燃料被激光束（laser beam）或者高压火花（high-voltage spark）从纳米管的一端点燃，同时产生一种快速移动的热波沿着碳纳米管移动，就像火焰沿着点燃的导火索快速移动一样。随后，燃料分解产生的热量进入纳米管，而热量在纳米管中传递的速度比在燃料自身传递的速度快几千倍。随着纳米管里的热量反馈到燃料涂层上，一种沿着纳米管移动的热波就产生了。当温度达到3000开尔文（Kelvin，热力热温度，等于摄氏温度加273），这个热量环（ring of heat）沿着纳米管移动的速度将比这类化学反应（chemicalreaction）的正常传递速度快10000倍。燃烧产生的热量，向外传递，同时也促使电子沿着纳米管移动，最后产生大量的电流。

     燃烧波（Combustion wave）——就像沿着一条线飞驰的热脉冲——“已经被精确地研究了上百年，”斯特拉诺说，不过他是预测这种波能够被纳米管或纳米导线（nanowire）引导，同时这种热波能够促使电流沿着导线运动的第一人。

在团队最初的实验中，斯特拉诺说，当他们给涂有燃料层的碳纳米管接通电源（产生高压电火花，点燃涂层燃料）准备研究其反应时，“你瞧！我们被由此产生的、沿着纳米导线传递的电压波峰峰值所震撼。”

     在进一步的开发之后，这个系统现在产生的能量，与纳米管的重量成正比，比等量的锂离子电池（lithium-ion battery）产生的电量多大约100倍。

     释放能量的量，他说，比电热计算（thermoelectriccalculation）预测的量多很多。然而很多半导体材料（semiconductor material）在加热时能够通过塞贝克效应（Seebeck effect）这种形式产生电势能（electric potential），但是在碳中发生的塞贝克效应很微弱。“这里有一些其他的事情发生，”他说。“我们将其称为电子夹带（electron entrainment），因为部分电流表现出与波速成比例的态势。”

     这种热波，他解释说，夹带着电荷载体（electrical chargecarrier）（也可以说电子或者电子空穴【electron hole】），就像海浪拾起并携带着一堆聚集在一起的废弃物沿着海面移动一样。这一重要的特性才使得系统能够产生高能量，斯特拉诺说。

探索可能的应用

     因为这是一个如此新的发现，他说，很难准确预测它的实际应用将是什么。但是他表示一个可能的应用将是开发新型的超小型电子设备（ultra-small electronic device） ——比如，米粒大小的设备，可能是具有传感器（sensor）或者处理装置的、能够被植入人类身体的设备。或者它可能引导开发出“能够像空气中的尘埃一样散开的环境传感器，”他说。

     理论上，他说，这种设备应该能够无限期地保持它们的电量，直到它们被使用；不像电池，当它们未被使用时电荷也在渐渐泄漏。同时这是个体纳米导线比较微小时的情形，斯特拉诺表示，它们也可以被做成大型阵列来为更大型的设备提供大量的能量。

     研究者同时也计划继续研究他们理论的另一个方面：即通过使用不同种类的反应材料作为涂层，波头（wave front）就能够摆动，进而产生交流电（alternating current）【译注：交流电的大小和方向都在发生周期性变化】。这将开辟多种可能性，斯特拉诺说，因为交流电是无线电（radio wave）比如手机、广播的基础，但是目前的能量储存系统产生的都是直流电（direct current）。“我们的理论在我们开始在数据中观察它们之前，预测了这些波头的摆动，”他说。

     同时，目前的系统效率低下，因为大量的能量以热量或者光的形式被释放了。这个研究团队计划进行研究，提高其工作效率。

雷·鲍曼（Ray Baughman），位于达拉斯（Dallas）的得克萨斯大学纳米技术研究所（Nanotech Instituteat the University of Texas）主任，他没有参入这项研究，称这项研究是“恒星闪耀般的”研究。

     这项研究，鲍曼说，“一开始就成为一个对后来研究具有重要意义的原始思想，这个思想某些人可能会为之着迷，同时提供令人兴奋的实验结果；这一新现象的发现，深入了我们对理论的理解，同时有望投入应用。”因为它发现了一个之前人所未知的现象，他说，他可能能够开启“一个令人兴奋的研究新领域。”