麻省理工學(xué)院的一個(gè)美、韓科學(xué)家小組在2010年3月7日出版的Nature上發(fā)表題為《Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves》(用化學(xué)方法驅(qū)動(dòng)碳納米管傳導(dǎo)熱力波)的論文.該小組在論文中稱發(fā)現(xiàn)了一種前所未見(jiàn)的現(xiàn)象，在化學(xué)反應(yīng)中強(qiáng)大的能量波可以在微小的多層納米碳管中“暴走”，并引發(fā)高能量密度的電效應(yīng).他們將這個(gè)現(xiàn)象冠名為“熱力波”(Thermopower Wave).

發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的麻省理工學(xué)院化學(xué)工程副教授Michael Strano認(rèn)為這一罕見(jiàn)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)打開了一個(gè)能量利用的新領(lǐng)域，有可能會(huì)藉此開發(fā)出一種小型化高能量密度的電池，具有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景.麻省理工的新聞網(wǎng)也將之稱為“前所未知的現(xiàn)象”.根據(jù)該研究組的描述，在碳納米管中高速傳輸?shù)哪芰坎?，可以像海潮卷走海面漂浮物一樣將電子夾裹進(jìn)來(lái)，從而形成高密度的電流.

在實(shí)驗(yàn)中，他們?cè)谔技{米管的外壁涂上化學(xué)燃料，然后用激光或高壓電弧從一端點(diǎn)燃，這段多層碳納米管就如導(dǎo)火索一樣燃燒，同時(shí)在管中會(huì)形成高速穿行的熱力波，其傳播速度比管外燃料燃燒的速度快數(shù)千倍.據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，熱力波的溫度達(dá)到了3 000 K.Strano指出雖然在100多年前人們?cè)?jīng)用數(shù)學(xué)的方法預(yù)言了“速燃波”(Combustion Wave)的存在，但MIT小組的實(shí)驗(yàn)是首次發(fā)現(xiàn)這種在納米碳管中傳輸并可引發(fā)高強(qiáng)度電流的“熱力波”. Strano還說(shuō)，熱力波的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)偶然的幸運(yùn)事件，在最初的實(shí)驗(yàn)中，他們將導(dǎo)線連在涂有燃料的碳納米管上只是為了探測(cè)化學(xué)反應(yīng)的情況，可是隨后電壓的峰值輸出讓他們“非常驚訝”！根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，這種電化學(xué)裝置的電能輸出功率是等重鋰離子電池的100倍.

Strano說(shuō)，很多半導(dǎo)體材料在受熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生“塞貝克效應(yīng)”(Seebeck Effect)，但塞貝克效應(yīng)在碳納米管中并不明顯，因此這種現(xiàn)象無(wú)法通過(guò)在熱電轉(zhuǎn)換元件中廣為人知的塞貝克效應(yīng)進(jìn)行合理解釋.而且，測(cè)量電流與熱力波的傳速度有很強(qiáng)的比例關(guān)系，因此，他們認(rèn)為這是一種全新的現(xiàn)象，并將之稱為“電子夾帶效應(yīng)”( electron entrainment).載流子(電子或空穴)被熱力波夾帶如同水流帶走水表面的漂浮體，應(yīng)該是該裝置產(chǎn)生高功率電流的原因.

Strano指出，熱力波作為一種新發(fā)現(xiàn)，目前是很難對(duì)它究竟有什么樣的實(shí)際應(yīng)用前景下一個(gè)預(yù)言.但他還是展望了一下這種發(fā)電裝置的可能前景，他認(rèn)為可能開發(fā)出一種超小型高功率的電池為米粒大小的可以注入人體的小型機(jī)械裝置提供電能，甚至可能由此開發(fā)出灰塵大小的探測(cè)器.他還說(shuō)，從理論上來(lái)講，根據(jù)熱力波現(xiàn)象制作的電池與其他化學(xué)電池相比有一個(gè)很重要的特點(diǎn)，就是這種電池不會(huì)在存放期間自行放電以至失效.雖然單根納米管的功率有限，但從目前的技術(shù)手段來(lái)看，將之制成大規(guī)模陣列組成大型高功率電池并沒(méi)有什么太大的困難.

該研究組在接下來(lái)的工作中將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大他們的戰(zhàn)果.Strano說(shuō)，他們將利用不同的材料制造碳納米管涂層，通過(guò)改變涂層的結(jié)構(gòu)非常有可能讓這個(gè)裝置產(chǎn)生振蕩的電流——交流電.交流電是通信的基礎(chǔ)，普通電池產(chǎn)生的是直流電，而該裝置很有希望成為首個(gè)能產(chǎn)生交流電的化學(xué)電池.這個(gè)性質(zhì)對(duì)微型通信裝置有重要意義，這將省去直流起振變交流過(guò)程.Strano充滿自信地說(shuō)：“我們的理論預(yù)言了這種交流電就存在于我們將要觀察到的數(shù)據(jù)中.”

德克薩斯大學(xué)的Ray Baughman高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)將如“恒星般閃亮”，它從最初的一個(gè)有些“瘋狂”的思想火花，到取得令人興奮的實(shí)驗(yàn)成果，乃至開創(chuàng)了一個(gè)全新的科研領(lǐng)域，隨著理論性研究的不斷深入將會(huì)展現(xiàn)出無(wú)窮的應(yīng)用前景.

從石墨烯、石墨烷、巴基球再到這種燃燒的碳納米管，毫無(wú)疑問(wèn)碳納米材料將是21世紀(jì)科學(xué)研究最耀眼的明星之一.