燃燒的熱力波電池

麻省理工學院的一個美、韓科學家小組在2010年3月7日出版的Nature上發(fā)表題為《Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves》(用化學方法驅(qū)動碳納米管傳導熱力波)的論文.該小組在論文中稱發(fā)現(xiàn)了一種前所未見的現(xiàn)象，在化學反應中強大的能量波可以在微小的多層納米碳管中“暴走”，并引發(fā)高能量密度的電效應.他們將這個現(xiàn)象冠名為“熱力波”(Thermopower Wave).

發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的麻省理工學院化學工程副教授Michael Strano認為這一罕見現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打開了一個能量利用的新領域，有可能會藉此開發(fā)出一種小型化高能量密度的電池，具有廣闊的應用發(fā)展前景.麻省理工的新聞網(wǎng)也將之稱為“前所未知的現(xiàn)象”.根據(jù)該研究組的描述，在碳納米管中高速傳輸?shù)哪芰坎?，可以像海潮卷走海面漂浮物一樣將電子夾裹進來，從而形成高密度的電流.

在實驗中，他們在碳納米管的外壁涂上化學燃料，然后用激光或高壓電弧從一端點燃，這段多層碳納米管就如導火索一樣燃燒，同時在管中會形成高速穿行的熱力波，其傳播速度比管外燃料燃燒的速度快數(shù)千倍.據(jù)實驗數(shù)據(jù)，熱力波的溫度達到了3 000 K.Strano指出雖然在100多年前人們曾經(jīng)用數(shù)學的方法預言了“速燃波”(Combustion Wave)的存在，但MIT小組的實驗是首次發(fā)現(xiàn)這種在納米碳管中傳輸并可引發(fā)高強度電流的“熱力波”. Strano還說，熱力波的發(fā)現(xiàn)是一個偶然的幸運事件，在最初的實驗中，他們將導線連在涂有燃料的碳納米管上只是為了探測化學反應的情況，可是隨后電壓的峰值輸出讓他們“非常驚訝”！根據(jù)測量數(shù)據(jù)，這種電化學裝置的電能輸出功率是等重鋰離子電池的100倍.

Strano說，很多半導體材料在受熱時會產(chǎn)生“塞貝克效應”(Seebeck Effect)，但塞貝克效應在碳納米管中并不明顯，因此這種現(xiàn)象無法通過在熱電轉(zhuǎn)換元件中廣為人知的塞貝克效應進行合理解釋.而且，測量電流與熱力波的傳速度有很強的比例關系，因此，他們認為這是一種全新的現(xiàn)象，并將之稱為“電子夾帶效應”( electron entrainment).載流子(電子或空穴)被熱力波夾帶如同水流帶走水表面的漂浮體，應該是該裝置產(chǎn)生高功率電流的原因.

Strano指出，熱力波作為一種新發(fā)現(xiàn)，目前是很難對它究竟有什么樣的實際應用前景下一個預言.但他還是展望了一下這種發(fā)電裝置的可能前景，他認為可能開發(fā)出一種超小型高功率的電池為米粒大小的可以注入人體的小型機械裝置提供電能，甚至可能由此開發(fā)出灰塵大小的探測器.他還說，從理論上來講，根據(jù)熱力波現(xiàn)象制作的電池與其他化學電池相比有一個很重要的特點，就是這種電池不會在存放期間自行放電以至失效.雖然單根納米管的功率有限，但從目前的技術手段來看，將之制成大規(guī)模陣列組成大型高功率電池并沒有什么太大的困難.

該研究組在接下來的工作中將會繼續(xù)擴大他們的戰(zhàn)果.Strano說，他們將利用不同的材料制造碳納米管涂層，通過改變涂層的結構非常有可能讓這個裝置產(chǎn)生振蕩的電流——交流電.交流電是通信的基礎，普通電池產(chǎn)生的是直流電，而該裝置很有希望成為首個能產(chǎn)生交流電的化學電池.這個性質(zhì)對微型通信裝置有重要意義，這將省去直流起振變交流過程.Strano充滿自信地說：“我們的理論預言了這種交流電就存在于我們將要觀察到的數(shù)據(jù)中.”

德克薩斯大學的Ray Baughman高度評價這項發(fā)現(xiàn)將如“恒星般閃亮”，它從最初的一個有些“瘋狂”的思想火花，到取得令人興奮的實驗成果，乃至開創(chuàng)了一個全新的科研領域，隨著理論性研究的不斷深入將會展現(xiàn)出無窮的應用前景.

從石墨烯、石墨烷、巴基球再到這種燃燒的碳納米管，毫無疑問碳納米材料將是21世紀科學研究最耀眼的明星之一.