燃烧的热力波电池

麻省理工学院的一个美、韩科学家小组在2010年3月7日出版的Nature上发表题为《Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves》(用化学方法驱动碳纳米管传导热力波)的论文.该小组在论文中称发现了一种前所未见的现象，在化学反应中强大的能量波可以在微小的多层纳米碳管中“暴走”，并引发高能量密度的电效应.他们将这个现象冠名为“热力波”(Thermopower Wave).

发现这一现象的麻省理工学院化学工程副教授Michael Strano认为这一罕见现象的发现打开了一个能量利用的新领域，有可能会藉此开发出一种小型化高能量密度的电池，具有广阔的应用发展前景.麻省理工的新闻网也将之称为“前所未知的现象”.根据该研究组的描述，在碳纳米管中高速传输的能量波，可以像海潮卷走海面漂浮物一样将电子夹裹进来，从而形成高密度的电流.

在实验中，他们在碳纳米管的外壁涂上化学燃料，然后用激光或高压电弧从一端点燃，这段多层碳纳米管就如导火索一样燃烧，同时在管中会形成高速穿行的热力波，其传播速度比管外燃料燃烧的速度快数千倍.据实验数据，热力波的温度达到了3 000 K.Strano指出虽然在100多年前人们曾经用数学的方法预言了“速燃波”(Combustion Wave)的存在，但MIT小组的实验是首次发现这种在纳米碳管中传输并可引发高强度电流的“热力波”. Strano还说，热力波的发现是一个偶然的幸运事件，在最初的实验中，他们将导线连在涂有燃料的碳纳米管上只是为了探测化学反应的情况，可是随后电压的峰值输出让他们“非常惊讶”！根据测量数据，这种电化学装置的电能输出功率是等重锂离子电池的100倍.

Strano说，很多半导体材料在受热时会产生“塞贝克效应”(Seebeck Effect)，但塞贝克效应在碳纳米管中并不明显，因此这种现象无法通过在热电转换元件中广为人知的塞贝克效应进行合理解释.而且，测量电流与热力波的传速度有很强的比例关系，因此，他们认为这是一种全新的现象，并将之称为“电子夹带效应”( electron entrainment).载流子(电子或空穴)被热力波夹带如同水流带走水表面的漂浮体，应该是该装置产生高功率电流的原因.

Strano指出，热力波作为一种新发现，目前是很难对它究竟有什么样的实际应用前景下一个预言.但他还是展望了一下这种发电装置的可能前景，他认为可能开发出一种超小型高功率的电池为米粒大小的可以注入人体的小型机械装置提供电能，甚至可能由此开发出灰尘大小的探测器.他还说，从理论上来讲，根据热力波现象制作的电池与其他化学电池相比有一个很重要的特点，就是这种电池不会在存放期间自行放电以至失效.虽然单根纳米管的功率有限，但从目前的技术手段来看，将之制成大规模阵列组成大型高功率电池并没有什么太大的困难.

该研究组在接下来的工作中将会继续扩大他们的战果.Strano说，他们将利用不同的材料制造碳纳米管涂层，通过改变涂层的结构非常有可能让这个装置产生振荡的电流——交流电.交流电是通信的基础，普通电池产生的是直流电，而该装置很有希望成为首个能产生交流电的化学电池.这个性质对微型通信装置有重要意义，这将省去直流起振变交流过程.Strano充满自信地说：“我们的理论预言了这种交流电就存在于我们将要观察到的数据中.”

德克萨斯大学的Ray Baughman高度评价这项发现将如“恒星般闪亮”，它从最初的一个有些“疯狂”的思想火花，到取得令人兴奋的实验成果，乃至开创了一个全新的科研领域，随着理论性研究的不断深入将会展现出无穷的应用前景.

从石墨烯、石墨烷、巴基球再到这种燃烧的碳纳米管，毫无疑问碳纳米材料将是21世纪科学研究最耀眼的明星之一.