(PhysOrg.com) -- Een team van wetenschappers van MIT heeft een voorheen onbekend fenomeen ontdekt dat ervoor kan zorgen dat krachtige energiegolven door minuscule draden schieten die bekend staan ​​als koolstofnanobuisjes. De ontdekking zou kunnen leiden tot een nieuwe manier om elektriciteit te produceren, zeggen de onderzoekers.

Het fenomeen, beschreven als thermopower golven, “opent een nieuw gebied van energieonderzoek, wat zeldzaam is, " zegt Michael Strano, MIT's Charles en Hilda Roddey universitair hoofddocent chemische technologie, wie was de senior auteur van een paper waarin de nieuwe bevindingen werden beschreven die verschenen in? Natuurmaterialen op 7 maart. De hoofdauteur was Wonjoon Choi, een doctoraatsstudent werktuigbouwkunde.

Als een verzameling wrakstukken die langs het oppervlak worden voortgestuwd door golven die over de oceaan reizen, het blijkt dat een thermische golf - een bewegende puls van warmte - die langs een microscopische draad reist, elektronen kan voortdrijven, het creëren van een elektrische stroom.

Het belangrijkste ingrediënt in het recept zijn koolstofnanobuisjes - submicroscopische holle buizen gemaakt van een kippengaasachtig rooster van koolstofatomen. Deze buizen, slechts een paar miljardsten van een meter (nanometer) in diameter, maken deel uit van een familie van nieuwe koolstofmoleculen, inclusief buckyballs en grafeenvellen, die de afgelopen twee decennia het onderwerp zijn geweest van intensief wereldwijd onderzoek.

Een voorheen onbekend fenomeen

In de nieuwe experimenten elk van deze elektrisch en thermisch geleidende nanobuisjes was gecoat met een laag reactieve brandstof die warmte kan produceren door te ontbinden. Deze brandstof werd vervolgens aan het ene uiteinde van de nanobuis ontstoken met behulp van een laserstraal of een hoogspanningsvonk, en het resultaat was een snel bewegende thermische golf die zich langs de lengte van de koolstofnanobuis voortbeweegt als een vlam die over de lengte van een brandende lont snelt. Warmte van de brandstof gaat in de nanobuis, waar het duizenden keren sneller reist dan in de brandstof zelf. Terwijl de warmte terugvloeit naar de brandstofcoating, er ontstaat een thermische golf die langs de nanobuis wordt geleid. Met een temperatuur van 3, 000 Kelvin, deze ring van warmte versnelt langs de buis 10, 000 keer sneller dan de normale verspreiding van deze chemische reactie. De verwarming die door die verbranding wordt geproduceerd, het blijkt, duwt ook elektronen langs de buis, het creëren van een aanzienlijke elektrische stroom.

Verbrandingsgolven - zoals deze warmtepuls die langs een draad raast - "zijn al meer dan 100 jaar wiskundig bestudeerd, ' zegt Strano, maar hij was de eerste die voorspelde dat zulke golven geleid konden worden door een nanobuis of nanodraad en dat deze hittegolf een elektrische stroom langs die draad zou kunnen duwen.

In de eerste experimenten van de groep, Strano zegt, toen ze de koolstofnanobuisjes bedraadden met hun brandstofcoating om de reactie te bestuderen, “Kijk eens, we waren echt verrast door de grootte van de resulterende spanningspiek die zich langs de draad voortplantte.

Na verdere ontwikkeling, het systeem levert nu energie, in verhouding tot zijn gewicht, ongeveer 100 keer groter dan een equivalent gewicht van een lithium-ionbatterij.

De hoeveelheid stroom die vrijkomt, hij zegt, veel groter is dan voorspeld door thermo-elektrische berekeningen. Hoewel veel halfgeleidermaterialen bij verhitting een elektrisch potentiaal kunnen produceren, door iets dat het Seebeck-effect wordt genoemd, dat effect is erg zwak in koolstof. “Hier gebeurt nog iets, " hij zegt. “We noemen het elektronenmeevoering, omdat een deel van de stroom lijkt te schalen met de golfsnelheid.”

De thermische golf, hij legt uit, lijkt de elektrische ladingsdragers (elektronen of elektronengaten) mee te slepen, net zoals een oceaangolf een verzameling puin langs het oppervlak kan oppikken en meevoeren. Deze belangrijke eigenschap is verantwoordelijk voor het hoge vermogen dat door het systeem wordt geproduceerd, zegt Strano.

Mogelijke toepassingen verkennen

Omdat dit zo'n nieuwe ontdekking is, hij zegt, het is moeilijk om precies te voorspellen wat de praktische toepassingen zullen zijn. Maar hij suggereert dat een mogelijke toepassing zou zijn om nieuwe soorten ultrakleine elektronische apparaten mogelijk te maken - bijvoorbeeld, apparaten ter grootte van rijstkorrels, misschien met sensoren of behandelingsapparaten die in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd. Of het kan leiden tot “omgevingssensoren die als stof in de lucht kunnen worden verspreid, " hij zegt.

In theorie, hij zegt, dergelijke apparaten kunnen hun vermogen voor onbepaalde tijd behouden totdat ze worden gebruikt, in tegenstelling tot batterijen waarvan de lading geleidelijk weglekt als ze ongebruikt blijven. En hoewel de afzonderlijke nanodraden klein zijn, Strano suggereert dat ze in grote arrays kunnen worden gemaakt om aanzienlijke hoeveelheden stroom te leveren voor grotere apparaten.

De onderzoekers zijn ook van plan om een ​​ander aspect van hun theorie na te streven:door verschillende soorten reactieve materialen te gebruiken voor de coating, het golffront kan oscilleren, waardoor een wisselstroom ontstaat. Dat zou een scala aan mogelijkheden bieden, Strano zegt, omdat wisselstroom de basis is voor radiogolven zoals uitzendingen van mobiele telefoons, maar de huidige energieopslagsystemen produceren allemaal gelijkstroom. "Onze theorie voorspelde deze oscillaties voordat we ze in onze gegevens begonnen te observeren, " hij zegt.

Ook, de huidige versies van het systeem hebben een laag rendement, omdat er veel kracht in de vorm van warmte en licht wordt afgegeven. Het team gaat eraan werken om dat te verbeteren.

---

• PhysOrg.com iPhone-apps
• PhysOrg.com Audio Podcasts / iTunes
• Word lid van PhysOrg.com op Facebook!
• Volg PhysOrg.com op Twitter!

---