Un nanotube de carbone (représenté dans l'illustration) peut produire une onde de puissance très rapide lorsqu'il est recouvert d'une couche de carburant et enflammé, de sorte que la chaleur se déplace le long du tube. Graphique :Christine Daniloff
(PhysOrg.com) -- Une équipe de scientifiques du MIT a découvert un phénomène jusqu'alors inconnu qui peut provoquer la projection de puissantes vagues d'énergie à travers de minuscules fils appelés nanotubes de carbone. La découverte pourrait conduire à une nouvelle façon de produire de l'électricité, disent les chercheurs.
Le phénomène, décrit comme des ondes thermoélectriques, « ouvre un nouveau domaine de recherche énergétique, ce qui est rare, " dit Michael Strano, Charles et Hilda Roddey, professeur agrégé de génie chimique du MIT, qui était l'auteur principal d'un article décrivant les nouvelles découvertes parues dans Matériaux naturels le 7 mars. L'auteur principal était Wonjoon Choi, un doctorant en génie mécanique.
Comme une collection d'épaves propulsées à la surface par des vagues traversant l'océan, il s'avère qu'une onde thermique - une impulsion de chaleur en mouvement - voyageant le long d'un fil microscopique peut entraîner des électrons, créer un courant électrique.
L'ingrédient clé de la recette est constitué de nanotubes de carbone - des tubes creux submicroscopiques constitués d'un réseau d'atomes de carbone en forme de fil de poulet. Ces tubes, quelques milliardièmes de mètre (nanomètres) de diamètre, font partie d'une famille de nouvelles molécules de carbone, y compris les buckyballs et les feuilles de graphène, qui ont fait l'objet de recherches intensives dans le monde entier au cours des deux dernières décennies.
Un phénomène jusque-là inconnu
Dans les nouvelles expériences, chacun de ces nanotubes électriquement et thermiquement conducteurs a été recouvert d'une couche d'un combustible réactif qui peut produire de la chaleur en se décomposant. Ce combustible a ensuite été enflammé à une extrémité du nanotube à l'aide soit d'un faisceau laser, soit d'une étincelle à haute tension, et le résultat était une onde thermique rapide se déplaçant le long du nanotube de carbone comme une flamme filant le long de la longueur d'un fusible allumé. La chaleur du carburant va dans le nanotube, où il se déplace des milliers de fois plus vite que dans le carburant lui-même. Au fur et à mesure que la chaleur retourne au revêtement de carburant, une onde thermique est créée qui est guidée le long du nanotube. Avec une température de 3, 000 Kelvin, cet anneau de chaleur accélère le long du tube 10, 000 fois plus rapide que la propagation normale de cette réaction chimique. Le chauffage produit par cette combustion, il s'avère, pousse également des électrons le long du tube, créant un courant électrique important.
Les ondes de combustion - comme cette impulsion de chaleur dévalant le long d'un fil - " ont été étudiées mathématiquement pendant plus de 100 ans, " Strano dit, mais il fut le premier à prédire que de telles ondes pourraient être guidées par un nanotube ou un nanofil et que cette onde de chaleur pourrait pousser un courant électrique le long de ce fil.
Dans les premières expériences du groupe, Strano dit, lorsqu'ils ont câblé les nanotubes de carbone avec leur revêtement combustible afin d'étudier la réaction, "Et voilà, nous avons été vraiment surpris par la taille du pic de tension résultant » qui s'est propagé le long du fil.
Après un développement ultérieur, le système produit maintenant de l'énergie, proportionnellement à son poids, environ 100 fois supérieur à un poids équivalent de batterie lithium-ion.
La quantité d'énergie libérée, il dit, est bien supérieure à celle prédite par les calculs thermoélectriques. Alors que de nombreux matériaux semi-conducteurs peuvent produire un potentiel électrique lorsqu'ils sont chauffés, grâce à ce qu'on appelle l'effet Seebeck, cet effet est très faible en carbone. « Il se passe autre chose ici, " il dit. "Nous l'appelons entraînement d'électrons, puisqu'une partie du courant semble s'échelonner avec la vitesse des vagues.
La vague thermique, il explique, semble entraîner les porteurs de charge électrique (soit des électrons, soit des trous d'électrons) tout comme une vague océanique peut ramasser et transporter une collection de débris le long de la surface. Cette propriété importante est responsable de la puissance élevée produite par le système, dit Strano.
Explorer les applications possibles
Parce que c'est une nouvelle découverte, il dit, il est difficile de prédire exactement quelles seront les applications pratiques. Mais il suggère qu'une application possible serait de permettre de nouveaux types d'appareils électroniques ultra-petits - par exemple, appareils de la taille de grains de riz, peut-être avec des capteurs ou des dispositifs de traitement qui pourraient être injectés dans le corps. Ou cela pourrait conduire à "des capteurs environnementaux qui pourraient être dispersés comme de la poussière dans l'air, " il dit.
En théorie, il dit, ces appareils pourraient conserver leur puissance indéfiniment jusqu'à leur utilisation, contrairement aux batteries dont les charges s'échappent progressivement au fur et à mesure qu'elles restent inutilisées. Et tandis que les nanofils individuels sont minuscules, Strano suggère qu'ils pourraient être fabriqués dans de grands réseaux pour fournir des quantités importantes d'énergie pour les plus gros appareils.
Les chercheurs prévoient également de poursuivre un autre aspect de leur théorie :qu'en utilisant différents types de matériaux réactifs pour le revêtement, le front d'onde pourrait osciller, produisant ainsi un courant alternatif. Cela ouvrirait une variété de possibilités, Strano dit, parce que le courant alternatif est à la base des ondes radio telles que les transmissions des téléphones portables, mais les systèmes actuels de stockage d'énergie produisent tous du courant continu. "Notre théorie a prédit ces oscillations avant que nous commencions à les observer dans nos données, " il dit.
Aussi, les versions actuelles du système ont une faible efficacité, car une grande quantité d'énergie est dégagée sous forme de chaleur et de lumière. L'équipe prévoit de travailler à améliorer cela.
