熱量存儲材料作用機理

據美國物理學家組織網2011年10月25日報道，美國研究人員精確地揭示了二釕富瓦烯（fulvalene diruthenium）分子的工作原理。1996年被科學家發(fā)現的這種物質可按需存儲和釋放熱能。研究人員表示，新研究有助于科學家發(fā)現和設計出比該物質更便宜的替代品，從而研發(fā)出可存儲和釋放熱能而不是電能的電池。相關研究發(fā)表在近日出版的《應用化學》雜志上。

之前的研究表明，二釕富瓦烯分子吸收陽光時，其結構會發(fā)生變化：將其置于更高能的狀態(tài)，其會長久保持穩(wěn)定；額外給其添加一點熱或催化劑會讓其退回到原始形狀，并釋放出熱量。但研究人員發(fā)現，整個過程更復雜。

美國麻省理工學院材料科學和工程系電力工程學副教授杰弗里·格羅斯曼表示：“我們的研究結果表明，在上述過程中存在一個起關鍵作用的中間步驟?！?

他解釋說，在這個中間步驟中，二釕富瓦烯分子會在兩個已知狀態(tài)之間，形成一個半穩(wěn)定結構。中間步驟的發(fā)現表明，二釕富瓦烯分子并非如此穩(wěn)定，因此，科學家可尋找比釕更便宜的替代品。由于該過程是可逆的，這也使得“制造出一種可充放熱能的熱電池成為可能”，這種電池能夠重復地存儲和釋放從太陽光和其他來源中收集到的熱能。

格羅斯曼表示，從原理上講，使用二釕富瓦烯制造的電池，當它存儲的熱能全部釋放時，“能夠讓周圍的溫度達到200攝氏度，足夠加熱房間，或者驅使發(fā)動機發(fā)電”。

太陽能的利用有光熱轉換和光電轉換兩種。這種熱能電池主要“利用了太陽熱能的優(yōu)勢，其穩(wěn)定狀態(tài)可以持續(xù)很長時間，以便在需要時使用；而且，這種電池是可逆的，可將其置于太陽光下進行充熱，存儲的熱能使用完后可重新放回到太陽光下充熱”。

格羅斯曼表示，釕存在著稀缺性和成本高兩個問題。理解了這種分子的工作原理，科學家應該很容易發(fā)現其他“工作方式相同”的材料。研究人員接下來打算將二釕富瓦烯的工作過程與數百萬已知分子組成的數據庫結合起來，尋找其他擁有相同結構、能表現出同樣行為的候選材料，進一步加快研發(fā)新的太陽熱能電池。2100433B

本報訊據美國《連線》雜志2011年7月19日報道，日前美國研究人員開發(fā)出一種新材料，能夠按需儲存和釋放熱能。以這種材料制成的儲熱設備不但能量存儲密度大，還具有成本低、運輸方便、儲能時間長的特點，有望開創(chuàng)一種捕獲和存儲太陽能的全新方式。相關論文發(fā)表在《納米快報》雜志上。

自20世紀70年代以來，科學家們就在尋找一種能以化學形式儲存太陽能而非將其轉化為電能的材料。但相關研究直到近年才取得了一些進展，2010年，美國麻省理工學院的杰弗里格羅斯曼揭示了二釕富瓦烯的獨特性質，并提出了液態(tài)儲熱材料設想。

二釕富瓦烯分子在被陽光照射時，內部結構會發(fā)生改變并將能量存儲起來，形成一種亞穩(wěn)定結構。當需要時，這些熱量又能在特定催化劑的作用下被釋放出來，同時其分子也會恢復為放熱前的形態(tài)。這一過程可以不斷重復。通過這種方法可在甲地存儲熱量，乙地釋放熱量；也可以用產生的熱量驅動蒸汽發(fā)電機發(fā)電。

但這種材料的缺點在于，所含的釕元素稀有且昂貴，且由其制成的儲熱設備在能量密度上還不及傳統鋰離子電池。這使這項技術一直無法獲得大規(guī)模應用。

日前，格羅斯曼和他的同事艾拉克斯庫帕克借助碳納米管對這一技術進行了完善，制造出了一種可取代二釕富瓦烯的新材料。這種材料由偶氮苯和碳納米管組成，除了具備二釕富瓦烯的優(yōu)點外，還有價格低廉、熱穩(wěn)定性好的特點，在能量密度上更是超過了鋰離子電池。

研究人員將偶氮苯分子“捆綁”在碳納米管上，形成一種碳納米管化合物，實驗顯示該材料的能量差（基能態(tài)到高能態(tài)之間的差值）和活化能（分子從常態(tài)轉變?yōu)槿菀装l(fā)生化學反應的活躍狀態(tài)所需要的能量）都較為理想。實驗顯示，新材料在能量密度上可達690瓦小時/升，超過了傳統鋰離子電池（200―600瓦小時/升），相對于僅采用偶氮苯的能量密度（90瓦小時/升），也獲得了極大的提升。

格羅斯曼說：“這種材料非常有效，便宜卻仍具有較高的能量密度，其優(yōu)勢在于將能量捕獲和存儲集成到了一個步驟當中，用一種材料就能同時完成轉化和存儲兩項任務。其缺點是只能提供熱能而非電能，但這可以通過熱電裝置或蒸汽發(fā)電機來彌補。”

北卡羅來納大學化學系助理教授金井洋介說，通過化學鍵來實現太陽能可逆存儲近年來廣受關注。新研究的創(chuàng)新之處在于，它創(chuàng)建了可以用碳納米管來制造這種材料的納米模板，這為今后采用其他材料進行類似的研究鋪平了道路。

可以做磁泡存儲的材料并不多，一般有六方鐵氧體(MFe₁₂O₁₉)(M表示堿金屬)、氟化鐵(FeF₃)、硼酸鐵(FeBO₃)、稀土正鐵酸鹽等。用作磁泡器件的材料還需是很薄(15μm以下)的單晶片。當前發(fā)展重點是提高材料的磁泡密度、磁泡遷移率和溫度穩(wěn)定性。

磁介質以恒定的速度沿一固定方向與一環(huán)形電磁鐵做相切運動，在磁頭線圈中通入待記錄的信號電流，磁頭縫隙將會產生強度受信號調制的磁場。該磁場將磁化分布在介質上的磁性材料，產生剩磁。由于介質與磁頭的速度保持不變，剩磁沿介質運動方向上的分布直接反應了信號的變化規(guī)律。即記錄磁頭在介質中感生并饋人了與信號電流成比例的剩余磁化強度，信號電流隨時間的變化規(guī)律轉化成剩余磁化強度隨距離的變化而被存儲下來了。這種記錄了信號的介質將產生一定的磁場，在該介質附近放置一拾波線圈，讓介質相對于拾波線圈以恒定的速度運動，在拾波線圈中將感生出受介質中磁性材料產生的磁場調制的磁通，磁通大小與介質中磁性材料的磁化強度成正比。磁存儲方法可以用來記錄多種類型的信號。如應用最早、使用最廣泛的聲頻信號記錄。聲頻信號頻率低，記錄或回放時介質的運動速度慢。但是聲頻信號記錄要求線性度好、信噪比高。現在，磁存儲也用于記錄視頻信號，即記錄圖像。通常使用調頻信號來記錄視頻圖像，頻率高，要求磁頭和介質之間的相對運動速度也高。通常采用旋轉磁頭來實現。在數字存儲中磁存儲也得到廣泛應用，磁帶和磁盤是磁存儲的記錄數字信號的常用方式。無論是聲頻或是視頻信號，從原理上講，均可以采用數字磁存儲方式記錄。實際上，在互聯網搜索技術快速發(fā)展的今天，海量的信息存在磁盤陣列服務器上供全球甚至包括離開地球的宇航員檢索使用。這些數據包括文字、聲頻、視頻，以及其他可以數字化的信息。 2100433B

光存儲材料 【photomemory polymer material】一種借助光束作用寫入、讀出信息的材料。光存儲材料又稱為光記錄高分子材料，寫入時光盤的存儲介質與聚焦的激光束相互作用，產生物理或化學作用，形成記錄點，當光再次照射時形成反差，產生讀出信號。光記錄材料可以分為只讀型和讀寫型，只讀型由光盤基板和表面記錄層構成，用于永久性保留信息，多是從可寫型光盤復制得到的，價格低廉，可以大批量復制生產，如常見的CD唱片、VCD和LD視盤等；讀寫型光記錄材料由光盤基板與光敏材料復合而成，記錄的信息可以在激光作用下改寫，用于臨時性信息記錄，價格較貴。光存儲材料是目前使用最廣、高密度、低價格信息記錄材料之一。