Группа физиков из Массачусетского технологического института (МТИ) открыла ранее неизвестное явление. Оказывается, в углеродных нанотрубках могут возникать мощные волны энергии, которые создают электрический ток. Результаты исследования Майкла Страно и Хильды Роди опубликованы в журнале Nature Materials.

Так же как морские волны увлекают вместе с собой мусор, так и тепловые волны, проходя по нанотрубке, захватывают с собой электроны и создают электрический ток.

Главный компонент всего процесса -- углеродные нанотрубки, крошечные полые цилиндрические структуры длиной до нескольких сантиметров и диаметром от одного до нескольких десятков нанометров (миллиардные части метра). Они состоят из атомов углерода, свернутых в трубку графенов (гексагональные графитовые плоскости), и чаще всего заканчиваются полусферической головкой.

Физики из МТИ покрывали стенки электро- и теплопроводных нанотрубок тонким слоем реактивного топлива. Затем они поджигали топливо в одном конце нанотрубки лучом лазера или искрой высокого напряжения. В результате по углеродной нанотрубке, как по зажженному фитилю, быстро двигалась тепловая волна. Тепло от горящего топлива нагревало нанотрубку и продвигалось в тысячи раз быстрее, чем в самом топливе. Разогревшись до 3000?К (Кельвина), это кольцо тепла передвигалось по нанотрубке в 10 тыс. раз быстрее скорости нормальной химической реакции. Тепловая энергия, производимая при горении, воздействовала на электроны, создавая «существенный», по словам авторов эксперимента, электрический ток.

Энергетические волны горения, такие как этот тепловой импульс, несущийся по нанотрубке, изучались математиками уже более 100 лет. Однако американские ученые первыми доказали, что такие волны могут возникать в нанотрубках и что они могут вырабатывать кроме тепловой энергии и электрический ток.

Объем выделяемой в результате реакции энергии намного превышает величину, получаемую в ходе теплоэлектрических расчетов. Известно, что многие полупроводниковые материалы могут при нагревании создавать электрический потенциал благодаря эффекту Сибека, но этот эффект действует очень слабо в углероде. Явление, происходящее в углеродных трубках, исследователи называют «захватом электронов».

Тепловая волна, считает Майкл Страно, захватывает носители электрических зарядов (электроны и электронные дыры) так же, как морская волна несет по поверхности воды собравшийся мусор.

На столь раннем этапе исследований трудно предсказать, какое практическое применение может иметь это открытие. Однако уже сейчас исследователи предполагают, что открытое ими явление может помочь в разработке новых видов сверхмаленьких электронных устройств и приборов размером, скажем, с зернышко риса, оборудованных датчиками или устройствами для лечения, которые можно имплантировать в тело человека. Другое применение -- датчики для анализа окружающей среды, которые можно будет разбрасывать в воздухе как пыль.

Теоретически в нерабочем состоянии такие устройства могут сохранять энергию бесконечно долго. Этим они выгодно отличаются от батареек, которые со временем начинают терять энергию. К тому же, считает Майкл Страно, хотя нанотрубки и имеют крошечные размеры, в огромных количествах они могут обеспечивать крупные устройства и приборы значительными объемами энергии.

Существующие сейчас прототипы системы имеют пока низкую эффективность, потому что отдают очень много энергии в виде тепла и света. Физикам придется еще немало потрудиться над повышением КПД.

Конечной целью может стать создание батарей, которые будут при размерах в десять и более раз меньше самых эффективных сейчас батареек давать столько же энергии.

Еще один немаловажный плюс -- полная безвредность, потому что основным материалом для создания такого рода генераторов энергии является углерод. Большинство же существующих сейчас батареек делают из очень токсичных тяжелых металлов -- свинца, никеля и кадмия, которые наносят окружающей среде большой вред.

Сейчас ученые из МТИ хотят проверить еще одну интересную теорию. Расчеты показывают, что использование ряда реактивных материалов в качестве покрытия может вызывать волну, которая будет колебаться и создавать переменный ток. Если это предположение подтвердится, то захват электронов в углеродных трубках откроет целый ряд дополнительных возможностей, потому что существующие сейчас системы аккумулирования электрической энергии дают лишь прямой ток, что значительно сужает сферу их применения.