Μια ομάδα φυσικών του Πανεπιστημίου του Αρκάνσας ανέπτυξε με επιτυχία ένα κύκλωμα ικανό να συλλάβει τη θερμική κίνηση του γραφενίου και να το μετατρέψει σε ηλεκτρικό ρεύμα.
“Ένα κύκλωμα συλλογής ενέργειας με βάση το γραφένιο θα μπορούσε να ενσωματωθεί σε ένα τσιπ για να παρέχει καθαρή, απεριόριστη, χαμηλής τάσης ισχύ για μικρές συσκευές ή αισθητήρες”, δήλωσε ο Paul Thibado, καθηγητής φυσικής και επικεφαλής ερευνητής στην ανακάλυψη.
Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Physical Review E , είναι η απόδειξη μιας θεωρίας που οι φυσικοί ανέπτυξαν στο Πανεπιστήμιο αυτό πριν από τρία χρόνια, ότι το ανεξάρτητο γραφένιο – ένα μόνο στρώμα ατόμων άνθρακα – σχηματίζει κυματισμούς με τρόπο που υπόσχεται την συλλογή ενέργειας .
Η ιδέα της συλλογής ενέργειας από το γραφένιο είναι αμφιλεγόμενη επειδή αντικρούει τον γνωστό ισχυρισμό του φυσικού Richard Feynman ότι η θερμική κίνηση των ατόμων, γνωστή ως κίνηση του Μπράουν, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί.
Η ομάδα του Thibado διαπίστωσε ότι σε θερμοκρασία δωματίου η θερμική κίνηση του γραφενίου προκαλεί στην πραγματικότητα ένα εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) σε ένα κύκλωμα, ένα επίτευγμα που θεωρούνταν ότι είναι αδύνατο.
Στη δεκαετία του 1950, ο φυσικός Léon Brillouin δημοσίευσε μία εργασία ορόσημο που αντικρούει την ιδέα ότι η προσθήκη μιας μόνο διόδου, μιας ηλεκτρικής πύλης μονής κατεύθυνσης, σε ένα κύκλωμα είναι η λύση για τη συλλογή ενέργειας από την κίνηση του Μπράουν. Γνωρίζοντας αυτό, η ομάδα του Thibado δημιούργησε το κύκλωμα τους με δύο διόδους για τη μετατροπή του εναλλασσόμενου AC σε συνεχές ρεύμα (DC). Με τις διόδους σε αντίθεση που επιτρέπουν στο ρεύμα να ρέει και προς τις δύο κατευθύνσεις, παρέχουν ξεχωριστές διαδρομές μέσω του κυκλώματος, παράγοντας ένα παλμικό ρεύμα DC που ρέει πάνω σε μια αντίσταση.
Επιπλέον, ανακάλυψαν ότι ο σχεδιασμός τους αύξησε την ποσότητα ισχύος που παρέχεται. «Βρήκαμε επίσης ότι η συμπεριφορά on-off, σαν επιλογέας των διόδων ενισχύει πραγματικά την ισχύ που παρέχεται, αντί να τη μειώσει, όπως πιστεύαμε προηγουμένως», δήλωσε ο Thibado. ”
Η ομάδα χρησιμοποίησε ένα σχετικά νέο πεδίο φυσικής για να αποδείξει ότι οι δίοδοι αύξησαν την ισχύ του κυκλώματος. «Αποδεικνύοντας αυτήν την ενίσχυση ισχύος, βγαλμένη από το αναδυόμενο πεδίο της στοχαστικής θερμοδυναμικής, ενώ επεκτείναμε την σχεδόν γνωστή θεωρία του Nyquist, που ήταν σχεδόν ενός αιώνα», δήλωσε ο συντάκτης της δημοσίευσης Pradeep Kumar, αναπληρωτής καθηγητής φυσικής.
Σύμφωνα με τον Kumar, το γραφένιο και το κύκλωμα μοιράζονται μια συμβιωτική σχέση. Αν και το θερμικό περιβάλλον εκτελεί εργασίες στην αντίσταση φορτίου, το γραφένιο και το κύκλωμα βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία και η θερμότητα δεν ρέει μεταξύ των δύο.
Αυτή είναι μια σημαντική διάκριση, είπε ο Thibado, επειδή η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του γραφενίου και του κυκλώματος, σε ένα κύκλωμα παραγωγής ενέργειας, θα έρχεται σε αντίθεση με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. «Αυτό σημαίνει ότι δεν παραβιάζεται ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, ούτε υπάρχει ανάγκη να υποστηρίξουμε ότι« ο δαίμονας του Maxwell »διαχωρίζει τα καυτά και τα κρύα ηλεκτρόνια», δήλωσε ο Thibado.
Η ομάδα ανακάλυψε επίσης ότι η σχετικά αργή κίνηση του γραφενίου προκαλεί ρεύμα στο κύκλωμα σε χαμηλές συχνότητες, κάτι που είναι σημαντικό από τεχνολογική άποψη επειδή τα ηλεκτρονικά λειτουργούν πιο αποτελεσματικά σε χαμηλότερες συχνότητες.
«Οι άνθρωποι μπορεί να πιστεύουν ότι το ρεύμα που ρέει σε μια αντίσταση το κάνει να θερμαίνεται, αλλά το ρεύμα Μπράουν δεν το κάνει. Στην πραγματικότητα, εάν δεν ρέει ρεύμα, η αντίσταση θα κρυώσει », εξήγησε ο Thibado. “Αυτό που κάναμε ήταν να αλλάξουμε το ρεύμα στο κύκλωμα και να το μετατρέψουμε σε κάτι χρήσιμο.”
Ο επόμενος στόχος της ομάδας είναι να προσδιορίσει εάν το ρεύμα DC μπορεί να αποθηκευτεί σε έναν πυκνωτή για μελλοντική χρήση, έναν στόχο που απαιτεί τη μικρογραφία του κυκλώματος και τη διαμόρφωσή του σε μια γκοφρέτα πυριτίου ή τσιπ. Εάν εκατομμύρια από αυτά τα μικροσκοπικά κυκλώματα μπορούσαν να κατασκευαστούν σε τσιπ μήκους και πάτους 1 χιλιοστού, θα μπορούσαν να χρησιμεύσουν ως την αντικατάσταση μιας μπαταρίας χαμηλής ισχύος.
