В углеродной нанотрубке обнаружен необычный термоэлектрический эффект
Группа ученых из Кореи и США обнаружила, что химическая реакция горения нанометрового слоя гексогена может проходить в 10 000 раз быстрее, если он окружает многостенную углеродную нанотрубку. Более того, одновременно с горением гексогена в нанотрубке возникает импульс напряжения, мощность которого в пересчете на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки может на порядок превосходить аналогичную величину, создаваемую в современных литий-ионных аккумуляторах. Описанный эффект, обнаруженный впервые, не укладывается в рамки классический теорий, связывающих тепловые и электрические явления. По мнению исследователей их открытие может найти применение как источник энергии для микро- и наномеханических устройств.
Несмотря на то что с момента «официального» открытия углеродных нанотрубок прошло уже почти 20 лет (некоторые ученые полагают, что нанотрубки наблюдали не в 1991 году, а значительно раньше, еще в начале 50-х годов ХХ века), экспериментальные и теоретические исследования данной аллотропной формы углерода по-прежнему остаются «горячей» темой в науке. Как показали многочисленные исследования, углеродные нанотрубки за счет своих уникальных физических свойств могут оказаться очень полезными в самых разнообразных областях человеческой деятельности: микроэлектронике, биомедицине, конструировании высокопрочных конструкций, создания нанодвигателей и т. д.
Пару лет назад «Элементы» рассказывали о теоретической работе, в которой впервые предлагалось использовать одностенную углеродную нанотрубку как ускоритель крупных молекул и как источник энергии. Правда, последний вариант оказался не очень перспективным, так как, согласно расчетам, производительность такого «генератора» получалась чрезвычайно малой в сравнении с энергетическим выходом ядерных реакций — всего лишь 0,01 эВ на один атом углерода.
В связи с этим работу американских и корейских ученых Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves, опубликованную в журнале Nature Materials, безусловно, следует считать значительным прогрессом в области «нанотрубочной энергетики». Авторы статьи при помощи серии экспериментов обнаружили, что горение легко воспламеняющегося циклотриметилентринитрамина (более известного как гексоген) в присутствии многостенной углеродной нанотрубки генерирует в ней импульс электрического напряжения с неожиданно большой удельной мощностью (то есть мощностью на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки) — около 7 кВт/кг, что практически на порядок превосходит аналогичную характеристику, создаваемую при помощи литий-ионных аккумуляторов.
Эксперимент заключался в следующем: многостенная углеродная нанотрубка с заданными диаметром и длиной окружалась вдоль своей оси нанометровым (толщиной 7 нм) слоем гексогена (рис. 1). Полученная цилиндрическая гетероструктура с помощью лазерного луча или импульса электрического напряжения поджигалась на одном из своих концов.
Начиная с этого момента ученые фиксировали необычные явления, которые до них никто не наблюдал и которые, как оказалось, не укладываются в рамки существующих физических теорий, описывающих взаимосвязь между тепловыми и электрическими процессами. Прежде всего, авторы статьи отмечают, что возникающая в результате воспламенения гексогена тепловая волна (волна теплопроводности) распространялась преимущественно вдоль системы «углеродная нанотрубка — гексоген» в 10 тыс. раз быстрее, чем те же волны в чистом гексогене без нанотрубочной вставки. Можно сказать иначе: углеродная нанотрубка служила сильным катализатором химической реакции горения гексогена.
Но не на этом явлении акцентируют внимание исследователи в своей статье. Второй обнаруженный эффект был наиболее интересным и значимым. Оказалось, что одновременно с быстрым распространением тепловой волны происходило рождение импульса напряжения (рис. 2a–c), достигающего в некоторых экспериментах 210 мВ (милливольт) и отличающегося значительной (для системы с такими размерами) мощностью; см. также видео эксперимента с поясняющими субтитрами.
На первый взгляд может показаться, что ничего удивительного в этом нет. Еще с XIX века физикам хорошо известен эффект Зеебека, заключающийся в том, что перепад температур в проводнике создает в нём разность потенциалов (напряжения) между областями с разной температурой. Возникающее напряжение, которое еще называют термоЭДС, пропорционально разности температур в проводнике; коэффициент пропорциональности называется коэффициентом термоЭДС (вообще говоря, эффект Зеебека представляет собой один из трех так называемых термоэлектрических эффектов, наряду с эффектом Пельтье и эффектом Томсона). То есть кажется абсолютно логичным и ожидаемым, что движение тепловой волны, а вместе с ней и температурного градиента, приводит к появлению импульса электрического напряжения — термоЭДС. Однако исследователи установили, что для большинства систем «углеродная нанотрубка — гексоген» возникающая разность потенциалов имеет существенно большее значение, нежели предсказываемое теорией эффекта Зеебека, «заточенной» под углеродную нанотрубку, при условии, что коэффициент термоЭДС для нее известен (он был измерен ранее).
Помимо этого, в изучаемом объекте разность температур не зафиксирована жестко, как это происходит в «статическом» эффект Зеебека, а перемещается вдоль углеродной нанотрубки, то есть имеет место своеобразный «динамический» эффект Зеебека.
Наконец, и это самое важное, мощность импульса термоЭДС в пересчете на единицу суммарной массы гексогена и нанотрубки, оказалась очень высокой. Для некоторых систем эта величина превышала 7 кВт/кг (рис. 2d). Фактически в распоряжении ученых оказался хоть и крохотный, но очень мощный источник энергии. Интересно, что если сравнить энергетический выход современных литий-ионных аккумуляторов и таких вот «нанотрубочных генераторов», то последние имеют почти на порядок большую удельную мощность.
Однако не всё оказалось настолько радужным и перспективным. Дальнейшие эксперименты, проведенные авторами статьи, установили сильную обратную зависимость между суммарной массой нанотрубки и гексогена и удельной мощностью, вырабатываемой ими. Проще говоря, мощным «нанотрубочный генератор» является лишь тогда, когда его масса очень маленькая, и чем меньше она, тем лучше.
Несмотря на такое ограничение, исследователи полагают, что их открытие можно будет использовать в будущем именно как эффективные источники энергии для разнообразных микро- и наномеханических устройств, для которых традиционные литий-ионные технологии могут оказаться не настолько полезными.
Источник: 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.
Юрий Ерин
-
Насчёт скорости распространения реакции, наверное, углеродная трубка - не катализатор, а поджигатель. Тепло по трубке распространяется быстро и естесвенно где горячо - там возгарание.
По поводу высокого электрического напряжения, интересно, как они находили градиент температуры? Разность температур, скорее всего, надо измерять не на концах трубки, а непострественно вблизи точки горения. Тогда градиент окажется очень большим и большим будет напряжение. С другой стороны при расчёте электрической мощности судя по всему измеряется разность температур на концах трубки и совпадение теоретической кривой с экспериментальными точками - вроде неплохое (рис. 2).
И ещё, почему сравнивают электрическую мощность на единицу массы с литий-ионным аккамулятором, а не топливным элементом. Ведь в данном случае трубка с гексагеном больше соответвует топливному элементу? Для водородных топливных элементов мощность, как я посмотрел в интернете, действительно, порядка 100 Вт/кг, т.е. на порядок меньше.-
На счёт скорости там не всё так просто... Об этом я не писал в новости, но 10-стенная нанотрубка с диаметром 22 нм ускоряла распространение тепла по сравнению bulk гексогеном более чем в 10 тыс. раз, 9-стенная нанотрубка с диаметром 13 нм только в 1000. Т.е. тепловая волна замедлялась на порядок,в то время как поперечное сечение уменьшилось только в 3 раза.
На счёт напряжения, то учёные брали разность между комнатной температурой, при которой реакция стартовала и температурой горения гексогена около 2800 К. Пожалуй, я это лишнее написал в пояснении к рисунку, что "на концах нанотрубки". Коэффициент термоЭДС нанотрубки считался равным 80 мкВ/К. Всё равно затем, чтобы рассчитать мощность учёные интегрировали вдоль всей длины нанотрубки.
Совпадение там уж не такое неплохое - шкала-то логарифмическая. Пусть Вас не вводит заблуждение, что кривая проходим через массив точек. Там расхождение не только в разы, но и на порядки.
Почему сравнивают электрическую мощность на единицу массы с литий-ионным аккамулятором, а не топливным элементом? Подозреваю, что авторы хотели подчеркнуть "крутость" своего открытия. Сравни они с топливнымы элементами, Вы бы потом упрекали учёных, почему не сравнили с литий-ионными аккумуляторами :)-
Сравнение с топливным элементом, на мой изгляд, было бы уместнее, потому как аккамулятор можно перезаряжать, чего не скажешь про систему трубка+гексоген.
Насколько помню, термоЭДС зависит от градиента температуры. При этом если разность температур известна, то значение градиента будет определяться расстоянием, на котором эта разность температур наблюдается, gradT=dT/dx. Если в качестве расстояния взять размер трубки, то, наверное, это будет не совсем верно: тут, как было замечено, неустоявшийся режим и тепло распространяется с конечной скоростью. Хотя, такие простые вещи, учёные, наверное, учитывали.
Что-то я не совсем понял, почему так сильно меняется радиус трубки при удалении всего одного слоя. Судя по вашим числам коэффициент теплопроводности зависит от площади поперечного сечения (так что полный поток тепла зависит от площади сечения квадратично). Возможно, это связано с числом фононных мод в трубке, которое должно увеличиваться при увеличении диаметра трубки.-
>Что-то я не совсем понял, почему так сильно меняется радиус трубки при удалении всего одного слоя.
Слой не удаляли, просто это совершенно разные нанотрубки.-
По поводу моего замечания выше. В углеродных нанотрубках, возможно, теплопроводность определяется в большей степени именно фононным вкладом (как в алмазе), а не электронным.
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82% D1%8C
-
-
-
-
В этой новости не надо рассматривать углеродную нанотрубку + гексоген как именно аккумулятор. Речь идёт просто об источнике энергии. А их (эти источники) можно характеризовать как удельной мощностью, так и удельной энергией (как это предлагаете Вы). Да, поскольку реакция будет длиться миллисекунды, то удельная энергия, конечно, будет ничтожной в сравнении с аккумуляторами, но зато удельная мощность на порядок больше.
Повторюсь, учёные не позиционируют своё открытие как аккумулятор, они лишь говорят о наблюдении необычного эффекта и рассматривают свою открытие как возможный источник энергии. И в этом смысле пытаются понять перспективы применения, сравнивая одну из характеристик, какими характеризуют все источники энергии.
Последние новости
