Нанотрубки и взрывчатка породили новый физический эффект

Распространение ударных тепловых волн вдоль нанотрубки приводит к рождению мощного импульса тока: неожиданный метод генерации электричества нашли Майкл Страно (Michael Strano) и его коллеги из Массачусетского технологического института, а также корейского университета Сункхюнкхвана (Sungkyunkwan University).

Покрытая взрывчаткой нанотрубка (фото Wonjoon Choi et al./Nature Materials).

Авторы использовали многослойные углеродные нанотрубки, получившие кольцевую оболочку из циклотриметилентринитрамина (гексогена) толщиной 7 нм (трубки были диаметром 13-22 нм). Их собирали в массивы нескольких миллиметров в поперечнике и порядка сантиметра длиной, взрывчатка поджигалась с одного из концов лазером или высоковольтной искрой, после чего проводились измерения различных параметров, а всё происходящее снималось на видео с частотой 90 тысяч кадров в секунду.

Оказалось, что из-за очень высокой теплопроводности нанотрубок (вспоминаются опыты с "демоническим" выпрямителем), возникает интересный эффект: жар от первых сгоревших порций проходит вдоль трубки на несколько порядков быстрее, чем распространялась бы химическая реакция. Это тепло вызывает подрыв последующих частей оболочки и так генерируется быстрая волна тепла. Она же вызывает в трубке сильный поток зарядов. Причём пик его тем выше, чем больше скорость термоволны, а она стремительно растёт с уменьшением массы образца.

Примеры подрыва нанотрубочных массивов (иллюстрации Wonjoon Choi et al./Nature Materials).

Авторы опытов получили столь сильные импульсы, что удельная мощность достигла 7 киловатт на килограмм. По расчётам учёных, это намного выше того, на что можно было бы рассчитывать исходя из эффекта Зеебека. "Там что-то другое происходит, — говорит Страно. — Мы называем это увлечением электронов. Тепловая волна, как представляется, увлекает за собой носители заряда, словно океанская волна подбирает и продвигает вдоль поверхности воды плавающий мусор".

Физики полагают, что на основе нанотрубок удастся построить микроскопические одноразовые батареи, способные без малейшей разрядки ждать годами, а при необходимости выдать сильный импульс тока. Их предложено встраивать в миллиметровые экологические датчики или в столь же крошечные биомедицинские имплантаты, которые после долгого бездействия смогут послать в эфир мощную радиоволну с пакетом информации.

Интересно, что по вычислениям некоторых учёных, само понятие температуры к нанотрубкам применять некорректно, поскольку квантовые эффекты тут уже заметно вмешиваются в картину происходящего. Может в этом кроется секрет нового эффекта? Сами авторы опытов намерены их продолжить, попытавшись получить от трубок переменный ток (играя составом взрывчатки и вызывая колебания скорости термоволны) и повысив КПД (пока львиная доля энергии уходит в тепло и свет). Детали же нынешнего эксперимента изложены в статье в Nature Materials, а увидеть сгорающий массив нанотрубок можно в ролике ниже.