MIT 研究者發現製造電力的新方法

MIT researchers discover new way of producing electricity
http://www.physorg.com/news187186888.html

By David Chandler, March 7, 2010

(PhysOrg.com) -- MIT 的一個科學家團隊發現一種先前未知的現象，使被稱為奈米碳管的微小導線發出強大的能量波。研究者表示，這項發現將導致製造電力的新方法。

這種現象，稱為熱電波（thermopower waves），"開啟了能量研究的新領域，那相當罕見，" Michael Strano 表示，MIT 的 Charles and Hilda Roddey 化學工程副教授，他是 3/7 Nature Materials 上一篇描述這些新發現之論文的資深作者。第一作者為 Wonjoon Choi，機械工程博士生。

如同穿越海洋的波浪沿著表面推動大量的漂浮殘骸般，該現象原來是一種沿著一條微小導線前進的熱波（thermal wave）-- 一種移動中的熱脈衝 -- 能沿著導線驅使電子創造出電流。

配方中的關鍵成份是奈米碳管（carbon nanotubes） -- 以一種如雞網（ chicken-wire）般的碳原子晶格所製成的亞微觀中空管狀物。這些管狀物，直徑只有幾十億分之一公尺寬，是一族新奇碳分子的一部份，包括巴克球（buckyballs）與石墨烯（graphene）薄片，在過去二十年來已成為全世界密集研究的主題。


一種先前未知的現象

在新實驗中，每根導電又導熱的奈米管接上（wired up）一層反應性燃料（譯註：cyclotrimethylene trinitramine，環三亞甲基三硝胺，即 RDX、cyclonite、hexogen，塑膠炸藥主成份），可透過分解作用產生熱。這種燃料接著能在奈米管的一端以雷射光束或著高壓火花點燃，而結果就是一種沿著奈米碳管長邊快速移動的熱波，就好像火舌沿著點著的導火線長邊快速前進。來自燃料的熱進入奈米管中，它在這裡的行進速度比在燃料中快上數千倍。當熱反饋至燃料塗層時，會造出一道沿著奈米管被引導的熱波。當溫度達 3,000 K 時，「熱環」沿著奈米管的速度比這種化學反應的正常速度要快上 1 萬倍。結果證明，那種燃燒所產生的熱，也能推動電子沿著奈米管前進，創造出一股真實電流。燃燒波（Combustion waves）-- 像這樣的熱脈衝會沿著導線猛衝 -- "在數學上已被研究超過 100 年了，" Strano 說，不過他是第一個預測這種波可由奈米管或奈米線所引導，且這種熱波能推動電流沿著導線前進。

Strano 表示，在該小組最初的實驗中，當他們將奈米碳管接上他們的燃料塗層以便研究這種反應。"你瞧！（沿導線傳播）所導致的電壓峰值大小真令我們感到驚訝。"

在進一步開發後，該系統現在釋出的能量，依其重量比例來算，大約比相當重量的鋰離子電池大上百倍。

他說，所釋出的電力總量比熱電計算的預測大上許多。雖然許多半導體材料被加熱時能產生電位 -- 透過 Seebeck effect（席貝克效應，熱電效應，因溫差而生電） -- 不過此效應在碳中非常弱。

"那裡發生了某件事，" 他說。"我們稱之為 electron entrainment（電子攜帶，譯註：entrainment 原意指使搭火車），因為部份電流似乎隨著波速而縮放。"

他解釋，這種熱波顯然正要搭乘（entraining）電荷載體（不管是電子或電洞），正如海洋波浪能收拾並沿著海面攜帶殘骸一樣。這種重要特性正是該系統能產生高電力的緣故。


探索可能的應用

他說，因為這是一種新發現，所以很難精確預測實際應用將會是什麼。不過他提到一種可能的應用會是讓新的超小型電子裝置 -- 例如米粒般大小的裝置，或許具備感應器或治療裝置，能被注射進入體內。又或著那可能導致"像空氣中的塵埃般被散佈的環境感應器，" 他說。

理論上，他說，這樣的裝置能無限期地維持它們的電力直到用舊了，不像電池若放著不用電荷就會逐漸漏光。此外，Strano 指出，每條奈米線雖然微小，不過它們能被製成大型陣列以供應顯著電力給較大型的裝置。

這些研究者亦計畫進行其理論的另一方面：透過採用不同類型的反應性材料當作塗層，波前（wave front）可能會振盪，從而產生交流電。Strano 表示那可能會開啟各式各樣的可能性，因為交流電是無線電波（諸如手機傳送）的基礎，不過目前的儲能系統全都只產生直流電。"我們的理論在我們開始在資料中觀察到它們之前就預測了這些振盪，" 他說。

此外，該系統目前版本的效率不高，因為大量電力變成熱與光而散發掉。該團隊計畫要改良它。

※ 相關報導：

＊ Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves
http://dx.doi.org/10.1038/nmat2714

Wonjoon Choi, Seunghyun Hong, Joel T. Abrahamson,
Jae-Hee Han, Changsik Song, Nitish Nair, Seunghyun Baik &
Michael S. Strano
Nature Materials, Published online: 7 March 2010
doi: 10.1038/nmat2714

＊ 作用中的奈米化學
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