2014-04-04

Незвичний термоелектричний ефект у вуглецевій нанотрубці

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Група вчених з Кореї та США виявила, що хімічна реакція горіння нанометрового шару гексогену може проходити в 10 000 разів швидше, якщо він оточує багатостінні вуглецеві нанотрубки. Більше того, одночасно з горінням гексогену в нанотрубці виникає імпульс напруги, потужність якого в перерахунку на одиницю сумарної маси гексогену і нанотрубки може на порядок перевищувати аналогічну величину,яка створюється сучасними літій-іонними акумуляторами. Описаний ефект, виявлений вперше і не вкладається в рамки класичний теорій, які пов'язують теплові та електричні явища. На думку дослідників їхнє відкриття може знайти застосування як джерело енергії для мікро-і наномеханічних пристроїв.

Незважаючи на те що з моменту «офіційного» відкриття вуглецевих нанотрубок минуло вже майже 20 років (деякі вчені вважають, що нанотрубки спостерігали не в 1991 році, а значно раніше, ще на початку 50-х років ХХ століття), експериментальні та теоретичні дослідження даної алотропної форми вуглецю, як і раніше залишаються «гарячою» темою в науці. Як показали численні дослідження, вуглецеві нанотрубки за рахунок своїх унікальних фізичних властивостей можуть виявитися дуже корисними в найрізноманітніших галузях людської діяльності: мікроелектроніці, біомедицині, конструюванні високоміцних конструкцій, створенні нанодвигунів і т. д.

Роботу американських і корейських вчених Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves, опубліковану в журналі Nature Materials, безумовно, слід вважати значним прогресом в області «нанотрубкової енергетики». Автори статті за допомогою серії експериментів виявили, що горіння легкозаймистого циклотриметилентринітроміну (більш відомого як гексоген) у присутності багатостінкової вуглецевої нанотрубки генерує в ній імпульс електричної напруги з несподівано великою питомою потужністю (тобто потужністю на одиницю сумарної маси гексогену і нанотрубки) - близько 7 кВт/кг, що практично на порядок перевищує аналогічну характеристику, яка створюється за допомогою літій-іонних акумуляторів.

Експеримент полягав в наступному: багатостінна вуглецева нанотрубка із заданими діаметром і довжиною оточувалося уздовж своєї осі нанометровим (товщиною 7 нм) шаром гексогену. Отримана циліндрична гетероструктура за допомогою лазерного променя або імпульсу електричної напруги підпалювалася на одному зі своїх кінців.

Починаючи з цього моменту вчені фіксували незвичайні явища, які до них ніхто не спостерігав і які, як виявилося, не вкладаються в рамки існуючих фізичних теорій, що описують взаємозв'язок між тепловими та електричними процесами. Перш за все, автори статті відзначають, що теплова хвиля (хвиля теплопровідності), яка виникає в результаті займання гексогену, поширювалася переважно вздовж системи «вуглецева нанотрубка - гексоген» у 10 тис. разів швидше, ніж ті ж хвилі в чистому гексогені без нанотрубкової вставки. Можна сказати інакше: вуглецева нанотрубка служила сильним каталізатором хімічної реакції горіння гексогену.

Але не на цьому явищі акцентують увагу дослідники у своїй статті. Другий виявлений ефект був найбільш цікавим і значущим. Виявилося, що одночасно з швидким поширенням теплової хвилі відбувалося народження імпульсу напруги, який досягає в деяких експериментах 210 мВ (мілівольт) і відрізняється значною (для системи з такими розмірами) потужністю.

На перший погляд може здатися, що нічого дивного в цьому немає. Ще з XIX століття фізикам добре відомий ефект Зеєбека, який полягає в тому, що перепад температур в провіднику створює в ньому різницю потенціалів (напругу) між областями з різною температурою. Напругу, яка виникає, ще називають термоЕРС, і вона є пропорційною різниці температур в провіднику; коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом термоЕРС (в загальному ефект Зеєбека представляє собою один з трьох так званих термоелектричних ефектів, поряд з ефектом Пельтьє і ефектом Томсона). Тобто здається абсолютно логічним і очікуваним, що рух теплової хвилі, а разом з нею і температурного градієнта, призводить до появи імпульсу електричної напруги - термоЕРС. Однак дослідники встановили, що для більшості систем «вуглецева нанотрубка - гексоген» різниця потенціалів має істотно більше значення, ніж передбачена теорією ефекту Зеєбека.

Крім цього, в досліджуваному об'єкті різниця температур не зафіксована жорстко, а переміщається уздовж вуглецевої нанотрубки, тобто має місце своєрідний «динамічний» ефект Зеєбека.

Нарешті, і це найважливіше, потужність імпульсу термоЕРС у перерахунку на одиницю сумарної маси гексогену і нанотрубки, виявилася дуже високою. Для деяких систем ця величина перевищувала 7 кВт/кг. Фактично у розпорядженні вчених виявилося хоч і крихітне, але дуже потужне джерело енергії. Цікаво, що якщо порівняти енергетичний вихід сучасних літій-іонних акумуляторів і таких от «нанотрубкових генераторів», то останні мають майже на порядок більшу питому потужність.

Однак не все виявилося настільки райдужним і перспективним. Подальші експерименти, проведені авторами статті, встановили сильну зворотну залежність між сумарною масою нанотрубки і гексогену та питомою потужністю, що виробляється ними. Простіше кажучи, потужним «нанотрубковий генератор» є лише тоді, коли його маса дуже маленька, і чим менше вона, тим краще.

Незважаючи на таке обмеження, дослідники вважають, що їхнє відкриття можна буде використовувати в майбутньому саме як ефективні джерела енергії для різноманітних мікро-і наномеханічних пристроїв, для яких традиційні літій-іонні технології можуть виявитися не настільки корисними.

Джерело: Wonjoon Choi, Seunghyun Hong, Joel T. Abrahamson, Jae-Hee Han, Changsik Song, Nitish Nair, Seunghyun Baik, Michael S. Strano. Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves / / Nature Materials. Published online 7 March 2010. Doi: 10.1038/nmat2714.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus