‘Deze ontdekking kan een nieuwe manier van elektriciteitsproductie mogelijk maken’, zegt professor Michael Strano van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) over zijn meest recente onderzoek. Hij en zijn team onderzochten wat er bij verhitting gebeurt in een koolstof nanobuisje. Daarover berichten ze deze week in Nature Materials, want ze ontdekten daarbij een principe dat kan leiden tot een hele nieuwe vorm van elektriciteitsproductie. En dat is zeldzaam, volgens Strano.

Het werkingsprincipe is dat een vlam die over een microscopisch dunne draad heen beweegt, in die draad elektriciteit opwekt. Strano noemt dit een ‘thermo-elektrische energiegolf’. Het effect werd aangetoond tijdens experimenten. De proefopstelling bestond uit een draad van koolstof nanobuisjes van een centimeter lang. De holle buisjes zijn gemaakt van een naadloos opgerolde laag grafeen van slechts een atoom dik.

Vlam op de buis
De draad werd bedekt met een vloeibare brandstof, die de onderzoekers vanaf één draaduiteinde lieten ontbranden. Terwijl de vlam zich in de lengterichting van de draad voortbewoog, wekte dit door warmtegeleiding een hittegolf op binnenin de nanobuisjes. Maar deze hittegolf bewoog zich door de minuscule diameter wel tienduizend keer sneller voort dan het vlamfront langs de buitenkant van de draad.

De hitte binnenin de nanobuisjes versterkte weer het vuur langs de buitenkant, waardoor een hittepuls ontstond met een extreem hoge temperatuur van 3000 Kelvin. Doordat de hitte zich zo snel verplaatst, ontbrandt de draad niet.

Het verrassende effect was dat de hittepuls in de koolstof nanobuisjes elektronen bleek voort te stuwen. En door deze elektronenbeweging ontstaat een elektrische stroom. Tot grote verbazing van Strano en zijn team, die nauwelijks begrepen wat er precies gebeurde.

Elektronen meesleuren
De hoeveelheid elektriciteit die dit principe opwekt vergeleken met bestaande effecten, is veel groter dan de wetenschappers ooit hadden kunnen vermoeden. Van veel halfgeleidende materialen is wel bekend dat ze onder verhitting elektriciteit kunnen produceren. Dit werkt volgens het zogenaamde Seebeck-effect, waarbij op het grensvlak van twee metalen of halfgeleiders een temperatuursverschil in spanning wordt omgezet. Maar in koolstof was dat effect altijd heel zwak.

Volgens professor Strano gebeurt er in zijn testopstelling iets heel anders. Hij vergelijkt het effect met hoe oceaangolven drijvend puin kunnen ‘oppakken’ en meevoeren. De hittegolf doet in de koolstof nanobuisjes iets vergelijkbaars, door ‘elektronen mee te sleuren’. En hoe sneller de hittegolf zich voortbeweegt, hoe meer stroom er wordt opgewekt.

Nadat Strano en zijn team het werkingsprincipe onlangs verder hebben geperfectioneerd, kunnen de nanobuisjes naar gewicht 100 keer meer elektriciteit opwekken dan een Li-ion batterij. Maar in harde cijfers gaat het bij zo’n opstelling maar om ongeveer 100 millivolt. Ook gaat er nog steeds veel energie van de verbranding verloren in de vorm van hitte en licht. Strano en zijn team werken er nu aan om dat te veranderen, zodat de nanobuisjes in theorie oneindig lang elektriciteit kunnen blijven leveren.

Sensorische stofdeeltjes
Wat de praktische toepassingen van de nieuwe techniek zijn, weet Strano zelf ook nog niet precies. Hij noemt wel enkele ideeën. Daarbij denkt hij in eerste instantie aan ultrakleine elektronische apparaten, zoals medische sensoren ter grootte van een rijstkorrel die in het lichaam geïmplanteerd kunnen worden. Een ander idee is dat minuscule sensoren als ‘stofdeeltjes’ in de lucht gebracht kunnen worden om milieumetingen te doen.

Sensoren zo klein als stofdeeltjes roepen wel de vraag op wat het gevaar voor de mens is bij inademing van die vrij rondvliegende sensoren? En wat zijn de gevolgen voor het milieu als ultrakleine elektronische apparaten overal terechtkomen? Dat leidt tot een hele nieuwe vorm van e-waste, afval afkomstig van elektronische en elektrische apparaten.

Paul Schilperoord

Wonjoon Choi e.a., ‘Chemically driven carbon-nanotube-guided thermopower waves’ in Nature Materials, 7 maart 2010.

Bekijk een opname van de vertraagd afgespeelde verbranding langs de buitenkant van de draad van koolstof nanobuisjes: