Um nanotubo de carbono (mostrado na ilustração) pode produzir uma onda de energia muito rápida quando é revestido por uma camada de combustível e inflamado, para que o calor viaje ao longo do tubo. Gráfico:Christine Daniloff
(PhysOrg.com) - Uma equipe de cientistas do MIT descobriu um fenômeno até então desconhecido que pode fazer com que ondas poderosas de energia sejam disparadas através de fios minúsculos conhecidos como nanotubos de carbono. A descoberta pode levar a uma nova forma de produção de eletricidade, dizem os pesquisadores.
O fenomeno, descritas como ondas termelétricas, “Abre uma nova área de pesquisa de energia, o que é raro, ”Diz Michael Strano, Charles e Hilda Roddey, Professor Associado de Engenharia Química do MIT, que foi o autor sênior de um artigo que descreve as novas descobertas que apareceram em Materiais da Natureza em 7 de março. O autor principal foi Wonjoon Choi, doutoranda em engenharia mecânica.
Como uma coleção de destroços impelidos ao longo da superfície por ondas que cruzam o oceano, Acontece que uma onda térmica - um pulso de calor em movimento - viajando ao longo de um fio microscópico pode conduzir os elétrons ao longo, criando uma corrente elétrica.
O ingrediente principal da receita são os nanotubos de carbono - tubos ocos submicroscópicos feitos de uma rede de átomos de carbono semelhante a um arame de galinha. Esses tubos, apenas alguns bilionésimos de metro (nanômetros) de diâmetro, fazem parte de uma família de novas moléculas de carbono, incluindo fulerenos e folhas de grafeno, que têm sido objeto de intensas pesquisas em todo o mundo nas últimas duas décadas.
Um fenômeno até então desconhecido
Nos novos experimentos, cada um desses nanotubos eletricamente e termicamente condutores foi revestido com uma camada de um combustível reativo que pode produzir calor por decomposição. Este combustível foi então inflamado em uma extremidade do nanotubo usando um feixe de laser ou uma faísca de alta voltagem, e o resultado foi uma onda térmica de movimento rápido viajando ao longo do comprimento do nanotubo de carbono como uma chama acelerando ao longo do comprimento de um fusível aceso. O calor do combustível vai para o nanotubo, onde viaja milhares de vezes mais rápido do que no próprio combustível. À medida que o calor retorna ao revestimento de combustível, é criada uma onda térmica que é guiada ao longo do nanotubo. Com uma temperatura de 3, 000 Kelvin, este anel de calor acelera ao longo do tubo 10, 000 vezes mais rápido do que a propagação normal desta reação química. O aquecimento produzido por essa combustão, acontece que, também empurra elétrons ao longo do tubo, criando uma corrente elétrica substancial.
Ondas de combustão - como este pulso de calor disparando ao longo de um fio - “foram estudadas matematicamente por mais de 100 anos, ”Strano diz, mas ele foi o primeiro a prever que essas ondas poderiam ser guiadas por um nanotubo ou nanofio e que essa onda de calor poderia empurrar uma corrente elétrica ao longo desse fio.
Nos experimentos iniciais do grupo, Strano diz, quando eles conectaram os nanotubos de carbono com seu revestimento de combustível para estudar a reação, “Vejam só, ficamos realmente surpresos com o tamanho do pico de tensão resultante ”que se propagou ao longo do fio.
Após um maior desenvolvimento, o sistema agora emite energia, em proporção ao seu peso, cerca de 100 vezes maior do que um peso equivalente de bateria de íon de lítio.
A quantidade de energia liberada, ele diz, é muito maior do que o previsto por cálculos termelétricos. Embora muitos materiais semicondutores possam produzir um potencial elétrico quando aquecidos, através de algo chamado efeito Seebeck, esse efeito é muito fraco em carbono. “Há algo mais acontecendo aqui, " ele diz. “Nós o chamamos de arrastamento de elétrons, uma vez que parte da corrente parece escalar com a velocidade da onda. ”
A onda termal, ele explica, parece estar arrastando os portadores de carga elétrica (elétrons ou buracos de elétrons), assim como uma onda do mar pode pegar e carregar uma coleção de detritos ao longo da superfície. Esta importante propriedade é responsável pela alta potência produzida pelo sistema, Strano diz.
Explorando possíveis aplicativos
Porque esta é uma nova descoberta, ele diz, é difícil prever exatamente quais serão as aplicações práticas. Mas ele sugere que uma possível aplicação seria habilitar novos tipos de dispositivos eletrônicos ultrapequenos - por exemplo, dispositivos do tamanho de grãos de arroz, talvez com sensores ou dispositivos de tratamento que possam ser injetados no corpo. Ou pode levar a “sensores ambientais que podem ser espalhados como poeira no ar, " ele diz.
Em teoria, ele diz, tais dispositivos podem manter sua energia indefinidamente até serem usados, ao contrário das baterias cujas cargas vazam gradualmente à medida que permanecem sem uso. E embora os nanofios individuais sejam minúsculos, Strano sugere que eles podem ser feitos em grandes matrizes para fornecer quantidades significativas de energia para dispositivos maiores.
Os pesquisadores também planejam buscar outro aspecto de sua teoria:que usando diferentes tipos de materiais reativos para o revestimento, a frente da onda pode oscilar, produzindo assim uma corrente alternada. Isso abriria uma variedade de possibilidades, Strano diz, porque a corrente alternada é a base para as ondas de rádio, como as transmissões de telefones celulares, mas os atuais sistemas de armazenamento de energia produzem corrente contínua. “Nossa teoria previu essas oscilações antes de começarmos a observá-las em nossos dados, " ele diz.
Também, as versões atuais do sistema têm baixa eficiência, porque uma grande quantidade de energia está sendo emitida como calor e luz. A equipe planeja trabalhar para melhorar isso.
