Физики создали схему, которая генерирует энергию из графена

Группа физиков из Университета Арканзаса успешно разработала схему, способную улавливать тепловое движение графена и преобразовывать его в электрический ток.

«Схема сбора энергии на основе графена может быть встроена в микросхему, чтобы обеспечить чистую, безграничную низковольтную энергию для небольших устройств или датчиков», — сказал Пол Тибадо, профессор физики и ведущий исследователь этого открытия.

Результаты, опубликованные в журнале Physical Review E, являются доказательством теории, разработанной физиками Университета Арканзаса три года назад, о том, что отдельно стоящий графен — единственный слой атомов углерода — колеблется и изгибается таким образом, что дает надеждe на получение энергии.

Идея сбора энергии из графена является спорной, поскольку она опровергает известное утверждение физика Ричарда Фейнмана о том, что тепловое движение атомов, известное как броуновское движение, не может выполнять работу. Команда Пола Тибадо обнаружила, что при комнатной температуре тепловое движение графена на самом деле вызывает в цепи переменный ток (AC), что казалось невозможным.

В 1950-х годах физик Леон Бриллюэн опубликовал знаменательную статью, опровергающую идею о том, что добавление к схеме одного диода, одностороннего электрического затвора, является решением для сбора энергии из броуновского движения. Зная это, группа Тибадо построила свою схему с двумя диодами для преобразования переменного тока в постоянный (DC). Когда диоды расположены напротив друг друга, позволяя току течь в обе стороны, они обеспечивают отдельные пути через схему, создавая импульсный постоянный ток, который выполняет работу на нагрузочном резисторе.

Кроме того, они обнаружили, что их конструкция увеличила количество передаваемой мощности. «Мы также обнаружили, что поведение диодов при включении-выключении и переключении на самом деле усиливает подаваемую мощность, а не снижает ее, как считалось ранее», — сказал Тибадо. «Скорость изменения сопротивления, обеспечиваемого диодами, добавляет дополнительный фактор к мощности».

Ученые использовали относительно новую область физики, чтобы доказать, что диоды увеличивают мощность схемы. «В доказательстве этого увеличения мощности мы опирались на зарождающуюся область стохастической термодинамики и расширили знаменитую теорию Найквиста почти столетней давности», — сказал соавтор работы Прадип Кумар.

По словам Кумара, графен и схема связаны симбиотическими отношениями. Хотя тепловая среда выполняет работу с нагрузочным резистором, графен и схема имеют одинаковую температуру, и тепло между ними не течет.

Это важное различие, потому что разница температур между графеном и схемой в цепи, производящей энергию, противоречила бы второму закону термодинамики. «Это означает, что второй закон термодинамики не нарушается, и нет необходимости утверждать, что «демон Максвелла» разделяет горячие и холодные электроны», — сказал Тибадо.

Ученые также обнаружили, что относительно медленное движение графена индуцирует ток в цепи на низких частотах, что важно с технологической точки зрения, поскольку электроника работает более эффективно на более низких частотах.

«Люди могут думать, что ток, протекающий в резисторе, вызывает его нагрев, но броуновский ток — нет. На самом деле, если бы ток не протекал, резистор остыл», — пояснил Тибадо. «Что мы сделали, так это перенаправили ток в цепи и преобразовали его во что-то полезное».

Следующая цель исследователей — определить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Эта цель требует миниатюризации схемы и нанесения ее на кремниевую пластину или чип. Если бы миллионы этих крошечных схем могли быть построены на микросхеме размером 1 на 1 миллиметр, они могли бы служить заменой маломощной батареи.