“Krug za prikupljanje energije baziran na grafenu mogao bi se ugraditi u čip kako bi se osigurala čista, neograničena, niskonaponska energija za male uređaje ili senzore”, rekao je Paul Thibado, profesor fizike i vodeći istraživač u otkriću.
Nalazi, pod naslovom “Struja izazvana fluktuacijom iz slobodnostojećeg grafena”, i objavljeni u časopisu Physical Review E, dokaz su teorije koju su fizičari razvili na U of A prije tri godine da samostojeći grafen – jedan sloj ugljikovih atoma – mreškanje i kopče na način koji obećava prikupljanje energije.
Ideja prikupljanja energije iz grafena je kontroverzna jer pobija dobro poznatu tvrdnju fizičara Richarda Feynmana da toplinsko gibanje atoma, poznato kao Brownovo gibanje, ne može raditi. Thibadov tim otkrio je da na sobnoj temperaturi toplinsko gibanje grafena zapravo inducira izmjeničnu struju (AC) u krugu, postignuće za koje se smatra da je nemoguće.
U 1950-ima, fizičar Léon Brillouin objavio je značajan rad u kojem je opovrgao ideju da je dodavanje jedne diode, jednosmjernih električnih vrata, u krug rješenje za prikupljanje energije iz Brownovog kretanja. Znajući to, Thibadoova grupa izgradila je svoj krug s dvije diode za pretvaranje izmjenične struje u istosmjernu (DC). S diodama u opoziciji dopuštajući struji da teče u oba smjera, one osiguravaju odvojene putove kroz krug, proizvodeći pulsirajuću istosmjernu struju koja obavlja rad na otporniku opterećenja.
Osim toga, otkrili su da njihov dizajn povećava količinu isporučene energije. “Također smo otkrili da ponašanje dioda poput prekidača uključeno-isključeno zapravo pojačava isporučenu snagu, umjesto da je smanjuje, kao što se ranije mislilo,” rekao je Thibado. “Brzina promjene otpora koju pružaju diode dodaje dodatni faktor snazi.”
Tim je koristio relativno novo polje fizike kako bi dokazao da diode povećavaju snagu kruga. “U dokazivanju ovog povećanja snage, izvukli smo se iz novonastalog područja stohastičke termodinamike i proširili gotovo stoljetnu, slavnu Nyquistovu teoriju”, rekao je koautor Pradeep Kumar, izvanredni profesor fizike i koautor.
Prema Kumaru, grafen i krug dijele simbiotski odnos. Iako toplinsko okruženje radi na otporniku opterećenja, grafen i krug su na istoj temperaturi i toplina ne teče između njih.
To je važna razlika, rekao je Thibado, jer bi temperaturna razlika između grafena i kruga, u krugu koji proizvodi snagu, bila u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike. “To znači da drugi zakon termodinamike nije prekršen, niti postoji ikakva potreba da se tvrdi da ‘Maxwellov demon’ razdvaja vruće i hladne elektrone”, rekao je Thibado.
Tim je također otkrio da relativno sporo kretanje grafena inducira struju u krugu na niskim frekvencijama, što je važno iz tehnološke perspektive jer elektronika funkcionira učinkovitije na nižim frekvencijama.
“Ljudi mogu misliti da struja koja teče u otporniku uzrokuje njegovo zagrijavanje, ali Brownova struja nije. Zapravo, ako struja ne teče, otpornik bi se ohladio”, objasnio je Thibado. “Ono što smo učinili je da smo preusmjerili struju u krugu i pretvorili je u nešto korisno.”
Sljedeći cilj tima je utvrditi može li se istosmjerna struja pohraniti u kondenzator za kasniju upotrebu, što je cilj koji zahtijeva minijaturizaciju kruga i oblikovanje uzorka na silikonskoj pločici ili čipu. Kad bi se milijuni tih sićušnih sklopova mogli izgraditi na čipu od 1 milimetar po 1 milimetar, mogli bi poslužiti kao zamjena za baterije male snage.
Sveučilište u Arkansasu posjeduje nekoliko patenata koji su na čekanju na američkom i međunarodnom tržištu na tehnologiju i licencirali su je za komercijalnu primjenu putem sveučilišnog odjela Technology Ventures. Istraživači Surendra Singh, sveučilišni profesor fizike; Hugh Churchill, izvanredni profesor fizike; i Jeff Dix, docent inženjerstva, pridonijeli su radu, koji je financirao Chancellor’s Commercialization Fund uz potporu Walton Family Charitable Support Foundation.
(TBT, phys.org )
