A Massachusetts Institute of Technology vegyészmérnöke, Michael Strano, tíz évvel ezelőtt demonstrálta először, hogy a szén nanocsövek termoelektromos hullámokat tudnak generálni, amelyek a cső mikroszkopikus vezetékein keresztül utazva úgy szállítják a hátukon az elektronokat, mint az óceán hullámai a törmeléket. A kísérlethez használt nanocsövek a grafénekkel állnak közeli rokonságban, és a szénből épített struktúrák speciális ágát képviselik, amelyeknek a különleges tulajdonságait az elmúlt évtizedekben kezdték nagy erőkkel kutatni a szakértők. A grafén és a szén nanocső lényegében ugyanaz az elem, csak a formájukban térnek el egymástól: míg a grafén egy hatszögű rácsokból álló (a tyúkketrec rácsaihoz vagy méhsejtekhez hasonló alakú) lapból áll, addig a nanocső ennek feltekert változata.

A grafén, felfedezése után, gyorsan kiérdemelte a csodaanyag titulust elsősorban rendkívüli vezetőképessége miatt.

A szén nanocsöveket már az 1990-es évek óta használják különféle applikációkhoz, például polimerek és kijelzők készítéséhez, de a kezdeti nagy remények az új anyaggal kapcsolatban egy idő után alábbhagytak, mivel nem hozott akkora áttörést a gyártásban, mint amire számítottak a mérnökök. A nanocsövek ideje azonban még közel sem járt le, csak éppen az előállítási költségei egyelőre igen magasak, emiatt nem termelnek belőle annyit, ami a szélesebb körben való felhasználásukat elősegítené. A Graphene Info 2019-es információi szerint, noha a több falú, vastagabb csövek gyártása jól halad, de a finomabb, egyfalú struktúrát (single walled nanotube, SWNT) ehhez képest ezerszeres áron, kilónként 100 000 dollárért értékesítik. Az, hogy olyan nem várt és korábban ismeretlen jelenségeket fedeznek fel a kutatók a nanostrukturák belsejében, mint amilyen a termoelektromos vezetőképességük is, még értékesebbé teszi ezeket az anyagokat és a lehetséges felhasználásuk körét is bővíti.

Strano a 2010-es kísérlete után azt jósolta, hogy ha sikerülne redukálni a hőelektromos vezetés során hő és fény formájában elpazarolt energiát, akkor olyan eszközöket lehetne építeni belőle, amelyek a végtelenségig meg tudják tartani az energiájukat, ellentétben a hagyományos akkumulátorokkal, amelyekből egy idő után elszivárog a töltés. Emellett további kísérleteket terveztek annak megfigyelésére, hogy a jelenséget kiváltó bevonat megváltoztatásával, amely az első vizsgálatban reaktív üzemanyag volt, sikerülhet-e váltóáramot létrehozni az anyagban. A Nature Communications-ben idén június 7-én publikált tanulmány szerint amennyiben az üzemanyagot teflonhoz hasonló polimerre cserélik a kutatók, olyan asszimetria jön létre a szén nanocső bevont és bevonat nélküli oldala között, amely elektromos áramot generál. Ezután már csak ki kell vonni a csőben utazó elektronokat ahhoz, hogy használható energiát állítsanak elő a miniatűr szerkezettel. A kivonáshoz olyan anyagra van szükség, amely "éhes az elektronokra", az MIT elmondása szerint, mint amilyen például az acetonitril, amelyet szerves oldószerként alkalmaznak a vegyiparban.

"Az oldószer elszállítja az elektronokat, és a rendszer ezt megpróbálja kiegyensúlyozni az elektronok mozgatásával."

- mondta Strano - "Nincsen kifinomult akkumulátor kémia odabent. Csak egy részecske van, amit beleteszünk egy oldatba és elkezd elektromos mezőt előállítani."

Egy-egy részecske önmagában csak 0.7 volt energiát tud generálni, ami nem sok, de amennyiben többszázat helyeznek egymás mellé egy nagyobb formációt alkotva, akkor a teljesítményük elegendő ahhoz, hogy miniatűr szerkezeteket működtessenek, vagy olyan kémiai reakciókat indítsanak be, amelyekhez eddig nem használtak elektrokémiai megoldásokat, mivel túl sok külső forrásból származó áramra lett volna szükség a folyamat energiaellátásához. Szintén a kísérletet végző vegyészmérnök laboratóriumában épülnek azok a mikroszkopikus robotok, amelyek akár ezzel az újfajta energiaforrással is tudnának funkcionálni.

2018-ban hozták létre az első olyan eszközt, amely nagyjából egy emberi petesejt méretével rendelkezett, de képes volt érzékelni a környezetét, adatokat tárolni, és számítási feladatokat végezni, miközben kolloidok hátán utazott a folyadékban, amibe belehelyezték. A kolloid részecskék nagy előnye más anyagokhoz képest, hogy a levegőben szálló porszemekhez hasonlóan bármeddig tudnak a felszínen lebegni, kis méretük miatt sosem ereszkednek le maguktól - írja az MIT. Az ezekre a részecskékre helyezett áramkörök olyan eszközt alkotnak, amely az emberi test belsejében haladva fel tudja térképezni a leghozzáférhetetlenebb régiókat is, de akár az olajvezetékek ellenőrzését is végezhetné a jövőben. A robotok meghajtását pedig biztosíthatja az újonnan felfedezett termoelektromos hatás, amelynek felhasználásával megkerülhetővé válik a külső energiaforrás integrálásának szükségessége.

"Ez azt jelenti, hogy nem szükséges energiatárolót rakni a fedélzetre"

- mondta Strano - "Amit kedvelünk ebben a mechanizmusban, az, hogy az energiát, legalábbis részben, a környezettől kapjuk."

(Fotó: Pixabay, Wikimedia Commons, GettyImages/Laguna Design)

További cikkek a témában:

Az új nanoanyag a hőt csak egy irányba vezeti Az elektronikus berendezések hűtése egyre problémásabbá válik, ahogy évről évre egyre kisebbek lesznek az eszközök, a tranzisztorok mérete pedig néhány nanonméternyire csökken. Japán kutatóknak most sikerült megtalálni az ideális hűtési módszert: a hőt egy irányba elvezető nanocsöveket.
Egy szupergyors elektróda új fejezetet nyithat az akkumulátorok történetében A szén nanocsövön alapuló elemelektród feltalálói szerint a világ leggyorsabb eleme: az úgynevezett ultragyors elektróda ereje tízszeres, az energiatárolási képessége háromszoros, az élettartama akár ötszörös is lehet, a töltési időt pedig képes pár percre csökkenteni.
A jövő akkumulátor-csodaanyaga a grafén, vagy csak túlzó hype? Egyelőre még nem grafén akkumulátorok táplálják az okostelefonokat és más eszközöket, de a technológia fejlődik. A jövőben a grafén lehet az az anyag, amely helyettesíti azokat a lítium-ion akkumulátorokat, melyek a technológiai ipar gerincét adják évtizedek óta.