O echipă de fizicieni de la Universitatea din Arkansas a dezvoltat cu succes un circuit capabil să capteze mișcarea termică a grafenului și să o transforme într-un curent electric.
„Un circuit de colectare a energiei bazat pe grafen ar putea fi încorporat într-un cip pentru a furniza energie curată, nelimitată, de joasă tensiune pentru dispozitive sau senzori mici”, a spus Paul Thibado, profesor de fizică și cercetător principal în descoperire.
Descoperirile, intitulate „Fluctuation-induced current from freestanding graphene” și publicate în revista Physical Review E, sunt dovada unei teorii dezvoltate de fizicienii de la Universitatea din Arkansas în urmă cu trei ani, conform căreia grafenul de sine stătător – un singur strat de atomi de carbon – se comporta într-un mod care era foarte promițător pentru recoltarea de energie.
Ideea de a recolta energie din grafen este controversată, deoarece respinge binecunoscuta afirmație a fizicianului Richard Feynman că mișcarea termică a atomilor, cunoscută sub numele de mișcare browniană, nu poate funcționa. Echipa lui Thibado a descoperit că, la temperatura camerei, mișcarea termică a grafenului induce de fapt un curent alternativ (AC) într-un circuit, o realizare considerată a fi imposibilă.
În anii 1950, fizicianul Léon Brillouin a publicat o lucrare de referință în care respinge ideea că adăugarea unei singure diode, o poartă electrică unidirecțională, la un circuit este soluția pentru recoltarea de energie din mișcarea browniană. Știind acest lucru, grupul lui Thibado și-a construit circuitul cu două diode pentru transformarea AC într-un curent continuu (DC). Cu diodele în opoziție, permițând curentului să curgă în ambele sensuri, ele oferă căi separate prin circuit, producând un curent continuu pulsatoriu.
În plus, au descoperit că designul lor a crescut cantitatea de putere furnizată. „De asemenea, am descoperit că comportamentul de pornit-oprit, asemănător comutatorului, al diodelor amplifică de fapt puterea furnizată, mai degrabă decât o reduce, așa cum se credea anterior”, a spus Thibado. „Rata de modificare a rezistenței furnizată de diode adaugă un factor suplimentar la putere.”
Echipa a folosit un domeniu relativ nou al fizicii pentru a demonstra că diodele au crescut puterea circuitului. „Pentru a demonstra această creștere a puterii, ne-am extras din domeniul emergent al termodinamicii stocastice și am extins teoria veche de aproape un secol, celebrată a lui Nyquist”, a spus Pradeep Kumar, profesor asociat de fizică și coautor.
Potrivit lui Kumar, grafenul și circuitul au o relație simbiotică. Deși mediul termic lucrează la rezistența de sarcină, grafenul și circuitul sunt la aceeași temperatură și căldura nu curge între cele două.
Aceasta este o distincție importantă, a spus Thibado, deoarece o diferență de temperatură între grafen și circuit, într-un circuit care produce putere, ar contrazice a doua lege a termodinamicii. „Aceasta înseamnă că a doua lege a termodinamicii nu este încălcată și nici nu este nevoie să argumentăm că „Demonul lui Maxwell” separă electronii calzi de cei reci”, a spus Thibado.
Echipa a descoperit, de asemenea, că mișcarea relativ lentă a grafenului induce curent în circuit la frecvențe joase, ceea ce este important din perspectivă tehnologică, deoarece electronica funcționează mai eficient la frecvențe mai mici.
„Oamenii pot crede că curentul care curge într-un rezistor îl determină să se încălzească, dar curentul brownian nu o face. De fapt, dacă nu curge nici un curent, rezistența s-ar răci”, a explicat Thibado. „Ceea ce am făcut a fost să redirecționăm curentul din circuit și să-l transformăm în ceva util.”
Următorul obiectiv al echipei este de a determina dacă curentul de curent continuu poate fi stocat într-un condensator pentru utilizare ulterioară, un obiectiv care necesită miniaturizarea circuitului și modelarea lui pe o placă de siliciu sau cip. Dacă milioane de aceste circuite minuscule ar putea fi construite pe un cip de 1 milimetru pe 1 milimetru, ele ar putea servi ca înlocuire a bateriei cu putere redusă.
Universitatea din Arkansas deține mai multe brevete în curs de desfășurare pe piețele din SUA și internaționale privind această tehnologie și a licențiat-o pentru aplicații comerciale prin divizia Technology Ventures a universității. Cercetătorii Surendra Singh, profesor universitar de fizică; Hugh Churchill, profesor asociat de fizică; și Jeff Dix, profesor asistent de inginerie, au contribuit la lucrare, care a fost finanțată de Fondul de Comercializare al Cancelarului, susținut de Fundația de Sprijin Caritabil al Familiei Walton.
