Naukowcy stworzyli obwód czerpiący energię z grafenu. Wcześniej wydawało się to niemożliwe
- Dodał: Damian Olszewski
- Data publikacji: 01.04.2022, 18:56
Zespołowi fizyków z Uniwersytetu w Arkansas udało się opracować obwód zdolny do rejestrowania ruchu termicznego grafenu i przekształcania go w prąd elektryczny.
- Obwód gromadzący energię oparty na grafenie może zostać włączony do chipa, aby zapewnić czystą, nieograniczoną, niskonapięciową moc dla małych urządzeń lub czujników - powiedział Paul Thibado, profesor fizyki i główny badacz eksperymentu.
Wyniki badania zostały opublikowane w czasopiśmie Physical Review E w artykule zatytułowanym Prąd wywołany fluktuacją z wolnostojącego grafenu. Zespół tym samym potwierdził własną teorię opracowaną trzy lata wcześniej.
Pomysł pozyskiwania energii z grafenu jest kontrowersyjny, ponieważ obala znane twierdzenie słynnego fizyka Richarda Feynmana, że chaotyczny ruch termiczny atomów, znany jako ruch Browna, nie może służyć do pozyskania energii elektrycznej. Zespół Thibado odkrył, że w temperaturze pokojowej ruch termiczny grafenu w rzeczywistości indukuje prąd zmienny w obwodzie, co wcześniej uważane było za niemożliwe.
Grupa naukowców z Arkansas, tworząc układ posłużyła się pochodzącymi z lat 50. badaniami fizyka Léona Brillouina, który wykazał, że wykorzystanie w obwodzie pojedynczej diody, służącej jako jednokierunkowa bramka elektryczna, nie pozwala na pozyskiwanie energii z ruchu Browna. Wiedząc o tym, zespół Thibado zbudowała swój obwód z dwóch diod do zamiany prądu przemiennego na prąd stały.
Zastosowanie przeciwstawnych diod umożliwiających przepływ prądu w obie strony zapewniło oddzielenie ścieżki w obwodzie. W ten sposób naukowcom udało się wytworzyć pulsujący prąd stały, działający na rezystorze obciążającym.
Dodatkowo odkryli, że ich konstrukcja zwiększyła ilość dostarczanej mocy. - Odkryliśmy również, że włączanie i wyłączanie, podobne do przełączników, faktycznie wzmacnia dostarczaną moc, zamiast ją zmniejszać, jak wcześniej sądzono - powiedział Thibado. - Tempo zmiany rezystancji zapewnianej przez diody dodaje dodatkowy czynnik do mocy - dodał.
Zespół wykorzystał stosunkowo nową dziedzinę fizyki, aby udowodnić, że diody zwiększyły moc obwodu. - Dowodząc zwiększenia mocy, czerpiemy z wyłaniającego się pola termodynamiki stochastycznej i rozszerzając prawie stuletnią, słynną teorię Nyquista - wyjaśnia współautor i profesor fizyki Pradeep Kumar.
Według Kumara układ i zawarty w nim grafen tworzą symbiotyczną więź. Wyjątkowość tej więzi polega na tym, że podczas pracy grafen i obwód mają tę samą temperaturę, a ciepło nie przepływa między nimi.
- Oznacza to, że druga zasada termodynamiki nie jest naruszona i nie ma potrzeby twierdzić, że „Demon Maxwella” oddziela gorące i zimne elektrony - tłumaczyThibado.
Zespół odkrył również, że stosunkowo powolny ruch grafenu indukuje prąd w obwodzie o niskich częstotliwościach, co jest ważne z technologicznego punktu widzenia, ponieważ elektronika działa wydajniej przy niższych częstotliwościach.
- Ludzie mogą myśleć, że prąd płynący w rezystorze powoduje jego nagrzewanie, ale prąd Browna nie. W rzeczywistości, gdyby nie płynął prąd, rezystor ostygnie - mówiThibado. - To, co zrobiliśmy, to przekierowanie prądu w obwodzie i przekształcenie go w coś użytecznego.
Kolejnym celem zespołu jest ustalenie, czy prąd stały można przechowywać w kondensatorze do późniejszego wykorzystania, co będzie wymagało miniaturyzacji obwodu i naniesienia go na płytkę krzemową lub chip. Miliony takich maleńkich obwodów osadzonych w chipie o wymiarach 1 na 1 milimetr mogłyby posłużyć jako bateria o niskim poborze mocy.