MIT-forskere opdager ny måde at producere elektricitet på

(PhysOrg.com) - Et team af forskere ved MIT har opdaget et hidtil ukendt fænomen, der kan få kraftige bølger af energi til at skyde gennem små ledninger kendt som kulstofnanorør. Opdagelsen kan føre til en ny måde at producere elektricitet på, siger forskerne.

Fænomenet, beskrevet som termokraftbølger, "åbner et nyt område inden for energiforskning, hvilket er sjældent, ” siger Michael Strano, MITs Charles og Hilda Roddey lektor i kemiteknik, som var seniorforfatter til et papir, der beskrev de nye resultater, der dukkede op i Naturmaterialer den 7. marts. Hovedforfatteren var Wonjoon Choi, en doktorand i maskinteknik.

Som en samling af flydende styk drevet langs overfladen af ​​bølger, der rejser hen over havet, det viser sig, at en termisk bølge - en bevægelig varmepuls - der bevæger sig langs en mikroskopisk ledning, kan drive elektroner langs, skabe en elektrisk strøm.

Nøgleingrediensen i opskriften er kulstofnanorør - submikroskopiske hule rør lavet af et kyllingetrådslignende gitter af kulstofatomer. Disse rør, kun et par milliardtedele meter (nanometer) i diameter, er en del af en familie af nye kulstofmolekyler, inklusive buckyballs og grafenplader, der har været genstand for intensiv verdensomspændende forskning gennem de sidste to årtier.

Et hidtil ukendt fænomen

I de nye forsøg, hver af disse elektrisk og termisk ledende nanorør blev belagt med et lag af et reaktivt brændstof, der kan producere varme ved at nedbrydes. Dette brændstof blev derefter antændt i den ene ende af nanorøret ved hjælp af enten en laserstråle eller en højspændingsgnist, og resultatet var en hurtigt bevægende termisk bølge, der bevægede sig langs kulstofnanorørets længde som en flamme, der susede langs længden af ​​en tændt lunte. Varme fra brændstoffet går ind i nanorøret, hvor den rejser tusindvis af gange hurtigere end i selve brændstoffet. Når varmen føres tilbage til brændstofbelægningen, der skabes en termisk bølge, der ledes langs nanorøret. Med en temperatur på 3, 000 Kelvin, denne ring af varme hastigheder langs røret 10, 000 gange hurtigere end den normale spredning af denne kemiske reaktion. Opvarmningen produceret af denne forbrænding, det viser sig, skubber også elektroner langs røret, skabe en betydelig elektrisk strøm.

Forbrændingsbølger - som denne varmepuls, der suser langs en ledning - "er blevet undersøgt matematisk i mere end 100 år, " siger Strano, men han var den første til at forudsige, at sådanne bølger kunne styres af et nanorør eller nanotråd, og at denne varmebølge kunne skubbe en elektrisk strøm langs den ledning.

I gruppens indledende eksperimenter, Strano siger, da de koblede kulstofnanorørene sammen med deres brændstofbelægning for at studere reaktionen, "se og se, vi var virkelig overraskede over størrelsen af ​​den resulterende spændingstop", der forplantede sig langs ledningen.

Efter yderligere udvikling, systemet udleder nu energi, i forhold til dens vægt, omkring 100 gange større end en tilsvarende vægt af lithium-ion batteri.

Mængden af ​​frigivet strøm, han siger, er meget større end forudsagt af termoelektriske beregninger. Mens mange halvledermaterialer kan producere et elektrisk potentiale, når de opvarmes, gennem noget, der kaldes Seebeck-effekten, den effekt er meget svag i kulstof. "Der sker noget andet her, " han siger. "Vi kalder det elektroninddragelse, da en del af strømmen ser ud til at skalere med bølgehastighed."

Den termiske bølge, han forklarer, ser ud til at medføre de elektriske ladningsbærere (enten elektroner eller elektronhuller), ligesom en havbølge kan opfange og bære en samling af snavs langs overfladen. Denne vigtige egenskab er ansvarlig for den høje effekt, der produceres af systemet, siger Strano.

Udforskning af mulige applikationer

Fordi dette er sådan en ny opdagelse, han siger, det er svært at forudsige præcis, hvad de praktiske anvendelser vil være. Men han foreslår, at en mulig anvendelse ville være at muliggøre nye former for ultrasmå elektroniske enheder - f.eks. enheder på størrelse med riskorn, måske med sensorer eller behandlingsapparater, der kunne sprøjtes ind i kroppen. Eller det kan føre til "miljøsensorer, der kan blive spredt som støv i luften, " han siger.

I teorien, han siger, sådanne enheder kan bevare deres strøm på ubestemt tid, indtil de bliver brugt, i modsætning til batterier, hvis ladninger lækker gradvist, efterhånden som de står ubrugte. Og mens de individuelle nanotråde er små, Strano foreslår, at de kunne laves i store arrays for at levere betydelige mængder strøm til større enheder.

Forskerne planlægger også at forfølge et andet aspekt af deres teori:at ved at bruge forskellige slags reaktive materialer til belægningen, bølgefronten kunne svinge, således producerer en vekselstrøm. Det ville åbne op for en række muligheder, Strano siger, fordi vekselstrøm er grundlaget for radiobølger såsom mobiltelefontransmissioner, men nuværende energilagringssystemer producerer alle jævnstrøm. "Vores teori forudsagde disse svingninger, før vi begyndte at observere dem i vores data, " han siger.

Også, de nuværende versioner af systemet har lav effektivitet, fordi der afgives meget strøm som varme og lys. Teamet planlægger at arbejde på at forbedre det.

---

• PhysOrg.com iPhone Apps
• PhysOrg.com Audio Podcasts / iTunes
• Tilmeld dig PhysOrg.com på Facebook!
• Følg PhysOrg.com på Twitter!

---