Un nanotubo di carbonio (mostrato nell'illustrazione) può produrre un'onda di potenza molto rapida quando è rivestito da uno strato di combustibile e acceso, in modo che il calore viaggi lungo il tubo. Grafica:Christine Daniloff
(PhysOrg.com) -- Un team di scienziati del MIT ha scoperto un fenomeno precedentemente sconosciuto che può causare potenti onde di energia che si propagano attraverso minuscoli fili noti come nanotubi di carbonio. La scoperta potrebbe portare a un nuovo modo di produrre energia elettrica, dicono i ricercatori.
Il fenomeno, descritte come onde termoelettriche, “apre una nuova area di ricerca energetica, che è raro, "dice Michele Strano, Charles e Hilda Roddey Professore Associato di Ingegneria Chimica del MIT, chi era l'autore senior di un articolo che descriveva le nuove scoperte apparse in Materiali della natura il 7 marzo. L'autore principale era Wonjoon Choi, uno studente di dottorato in ingegneria meccanica.
Come una raccolta di relitti spinti lungo la superficie dalle onde che viaggiano attraverso l'oceano, si scopre che un'onda termica - un impulso di calore in movimento - che viaggia lungo un filo microscopico può guidare gli elettroni, creando una corrente elettrica.
L'ingrediente chiave della ricetta sono i nanotubi di carbonio, tubi cavi submicroscopici costituiti da un reticolo di atomi di carbonio simile a un filo di pollo. Questi tubi, solo pochi miliardesimi di metro (nanometri) di diametro, fanno parte di una famiglia di nuove molecole di carbonio, compresi buckyball e fogli di grafene, che sono stati oggetto di un'intensa ricerca mondiale negli ultimi due decenni.
Un fenomeno precedentemente sconosciuto
Nei nuovi esperimenti, ciascuno di questi nanotubi elettricamente e termicamente conduttivi è stato rivestito con uno strato di un combustibile reattivo in grado di produrre calore mediante decomposizione. Questo combustibile è stato quindi acceso a un'estremità del nanotubo utilizzando un raggio laser o una scintilla ad alta tensione, e il risultato fu un'onda termica in rapido movimento che viaggiava lungo la lunghezza del nanotubo di carbonio come una fiamma che accelerava lungo la lunghezza di una miccia accesa. Il calore del carburante entra nel nanotubo, dove viaggia migliaia di volte più velocemente che nel carburante stesso. Poiché il calore ritorna al rivestimento del carburante, si crea un'onda termica che viene guidata lungo il nanotubo. Con una temperatura di 3, 000 Kelvin, questo anello di calore accelera lungo il tubo 10, 000 volte più veloce della normale diffusione di questa reazione chimica. Il calore prodotto da tale combustione, si scopre, spinge anche gli elettroni lungo il tubo, creando una notevole corrente elettrica.
Le onde di combustione - come questo impulso di calore che sfreccia lungo un filo - "sono state studiate matematicamente per più di 100 anni, "Strano dice, ma fu il primo a prevedere che tali onde potessero essere guidate da un nanotubo o nanofilo e che questa ondata di calore potesse spingere una corrente elettrica lungo quel filo.
Nei primi esperimenti del gruppo, Strano dice, quando hanno collegato i nanotubi di carbonio con il loro rivestimento di combustibile per studiare la reazione, “guarda ed ecco, siamo rimasti davvero sorpresi dalle dimensioni del picco di tensione risultante” che si è propagato lungo il filo.
Dopo ulteriori sviluppi, il sistema ora emette energia, in proporzione al suo peso, circa 100 volte maggiore di un peso equivalente di una batteria agli ioni di litio.
La quantità di potenza rilasciata, lui dice, è molto maggiore di quello previsto dai calcoli termoelettrici. Mentre molti materiali semiconduttori possono produrre un potenziale elettrico quando riscaldati, attraverso qualcosa chiamato effetto Seebeck, quell'effetto è molto debole nel carbonio. "C'è qualcos'altro che sta accadendo qui, " lui dice. “Lo chiamiamo trascinamento di elettroni, poiché parte della corrente sembra scalare con la velocità dell'onda.”
L'onda termica, lui spiega, sembra trascinare i portatori di carica elettrica (elettroni o buchi di elettroni) proprio come un'onda oceanica può raccogliere e trasportare una raccolta di detriti lungo la superficie. Questa importante proprietà è responsabile dell'elevata potenza prodotta dal sistema, Strano dice.
Esplorare possibili applicazioni
Perché questa è una scoperta così nuova, lui dice, è difficile prevedere esattamente quali saranno le applicazioni pratiche. Ma suggerisce che una possibile applicazione sarebbe nell'abilitare nuovi tipi di dispositivi elettronici ultra-piccoli, ad esempio, dispositivi delle dimensioni di chicchi di riso, magari con sensori o dispositivi di trattamento che potrebbero essere iniettati nel corpo. Oppure potrebbe portare a "sensori ambientali che potrebbero essere dispersi come polvere nell'aria, " lui dice.
In teoria, lui dice, tali dispositivi potrebbero mantenere la loro potenza indefinitamente fino all'utilizzo, a differenza delle batterie le cui cariche si disperdono gradualmente mentre rimangono inutilizzate. E mentre i singoli nanofili sono minuscoli, Strano suggerisce che potrebbero essere realizzati in grandi array per fornire quantità significative di energia per dispositivi più grandi.
I ricercatori hanno anche intenzione di perseguire un altro aspetto della loro teoria:che utilizzando diversi tipi di materiali reattivi per il rivestimento, il fronte d'onda potrebbe oscillare, producendo così una corrente alternata. Questo aprirebbe una serie di possibilità, Strano dice, perché la corrente alternata è la base per le onde radio come le trasmissioni dei telefoni cellulari, ma gli attuali sistemi di accumulo di energia producono tutti corrente continua. “La nostra teoria ha previsto queste oscillazioni prima che iniziassimo a osservarle nei nostri dati, " lui dice.
Anche, le attuali versioni del sistema hanno bassa efficienza, perché una grande quantità di energia viene emessa sotto forma di calore e luce. Il team ha intenzione di lavorare per migliorarlo.
