Група вчених із Кореї та США виявила, що хімічна реакція горіння нанометрового шару гексогена може проходити у 10 тис. разів швидше, якщо він оточує багатостінну вуглецеву нанотрубку. Більше того, одночасно із горінням гексогена у нанотрубці виникає імпульс напруги, потужність якої у перерахунку на одиницю сумарної маси гексогена і нанотрубки може на порядок перевищувати аналогічну величину, що створюється у сучасних літій-йонних акумуляторах. Описаний ефект, виявлений вперше, не вкладається у рамки класичних теорій, що визначають зв'язки між тепловими і електричними явищами. На думку дослідників їх відкриття може знайти застосування як джерело енергії для мікро- і наномеханічних пристроїв.
Не дивлячись на те, що з моменту "офіційного" відкриття вуглецевих нанотрубок пройшло уже майже 20 років, експериментальні і теоретичні дослідження даної алотропної форми вуглецю як і раніше залишаються "гарячою" темою у науці. Як показали численні дослідження, вуглецеві нанотрубки завдяки своїм унікальним фізичним властивостям можуть виявитися дуже корисними у найрізноманітніших областях людської діяльності: мікроелектроніці, біомедицині, конструюванні надміцних конструкцій, створення нанодвигунів і т. д.
Декілька років тому назад "Елементи" розповідали про теоретичну роботу, у якій вперше пропонувалося використовувати одностінну вуглецеву нанотрубку як прискорювач крупних молекул і як джерело енергії. Щоправда, останній варіант виявився не дуже перспективним, оскільки згідно з розрахунками, продуктивність такого "генератора" була надзвичайно малою у порівнянні з енергетичним виходом ядерних реакцій - лише 0,01 еВ на один атом вуглецю.
У зв'язку з цим роботу американських і корейських вчених Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves, опубліковану у журналі Nature Materials, безумовно слід вважати значним прогресом у області "нанотрубкової енергетики". Автори статті за допомогою серії експериментів виявили, що горіння циклотриметилентринітраміна (більше відомий як гексоген) за присутності багатостінної вуглецевої нанотрубки генерує у ній імпульс електричної напруги із надзвичайно великою питомою потужністю (тобто потужністю на одиницю сумарної маси гексогена і нанотрубки) - приблизно 7 кВт/кг, що практично на порядок перевищує аналогічну характеристику, створювану за допомогою літій-йонних акумуляторів.
Експеримент полягає у наступному: багатостінна вуглецева нанотрубка із заданими діаметром і довжиною була оточена вздовж своєї осі нанометровим (товщиною 7 нм) шаром гексогену. Отримана циліндрична гетероструктура за допомогою лазерного променя або імпульса електричної напруги підпалювалася на одному із своїх кінців.
Починаючи з цього моменту вчені фіксували незвичайні явища, які до них ніхто не спостерігав і які, як виявилося, не вкладаються у рамки існуючих фізичних теорій, які описують взаємозв'язок між тепловими і електричними процесами. У першу чергу, автори статті відмічають, що теплова хвиля, яка виникає у результаті горіння гексогена (хвиля теплопровідності) поширювалася переважно вздовж системи "вуглецева нанотрубка - гексоген" у 10 тис. разів швидше, ніж ті самі хвилі у чистому гексогені без нанотрубкової вставки. Можна сказати інакше: вуглецева нанотрубка слугувала сильним каталізатором хімічної реакції горіння гексогена.
Але не на цьому явищі акцентують увагу дослідники у своїй статті. Другий виявлений ефект був найбільш цікавим і значимим. Виявилося, що одночасно із швидким поширенням теплової хвилі відбувалося формування імпульса напруги, що досягає у деяких випадках 210 мВ і характеризується значною потужністю.
На перший погляд може здатися, що нічого дивного у цьому немає. Ще із ХІХ століття фізикам добре відомий ефект Зеебека, який полягає в тому, що перепад температур у провіднику створює в ньому різницю потенціалів між областями із різною температурою. Напруга, яку ще називають термоЕРС, пропорційна різниці температур у провіднику, коефіцієнт пропорційності називається коефіцієнтом термоЕРС. Тобто здається абсолютно логічним, що рух теплової хвилі, а разом із нею і температурного градієнту, призводить до появи імпульса електричної напруги - термоЕРС. Однак дослідники встановили, що для більшості систем "вуглецева нанотрубка-гексоген" виникаюча різниця потенціалів має істотно більше значення, ніж передбачувана теорією ефекта Зеебека. Крім того, у досліджуваному об'єкті різниця температур не зафіксована жорстко, як це відбувається у "статичному" ефекті Зеебека, а переміщується вздовж вуглецевої нанотрубки, тобто має місце своєрідний "динамічний" ефект Зеебека.
І зрештою, що є найважливішим, потужність імпульса термоЕРС у перерахунку на одиницю сумарної маси гексогена і нанотрубки, виявилася дуже високою. Для деяких систем ця величина перевищувала 7 кВт/кг. Фактично у руках вчених виявилося хоча і крихітне, але дуже потужне джерело енергії. Цікаво, що якщо порівняти енергетичний вихід сучасних літій-йонних акумуляторів і "нанотрубкових генераторів", то останні мають майже на порядок більшу питому потужність.
Однак не все виявилося достатньо перспективним. Наступні експерименти, проведені авторами статті, встановили сильний оборотний зв'язок між сумарною масою нанотрубки та гексогену і питомою потужністю, яка ними виробляється. Виявилося, що "нанотрубковий генератор" є потужним тоді, коли його маса дуже маленька, і чим вона менша, тим краще. Не дивлячись на таке обмеження, дослідники вважають, що їх відкриття можна буде використовувати у майбутньому саме як ефективні джерела енергії для різноманітних мікро- і наномеханічних пристроїв.
Ресурс: 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.

Хімічна реакція горіння нанометрового шару гексогена може проходити у 10 тис. разів швидше, якщо він оточує багатостінну вуглецеву нанотрубку