Исследователи из Университета Арканзаса наткнулись на новые возможности использования графена, когда решили изучить его врожденные движения с помощью сканирующего туннельного микроскопа. В явлении, называемом броуновским движением, частицы, взвешенные в жидкости, будут беспорядочно перемещаться в ответ на столкновения с более крупными частицами в окружающей среде.

В случае листа графена атомы колеблются в ответ на температуру вокруг них, заставляя части связанных атомов углерода подниматься и опускаться, как волны в океане, вызывая рябь, бегущую по материалу.

Это движение можно использовать в качестве источника энергии с помощью устройства, которое исследователи придумали как «Сборщик энергии вибрации» (VEH).

Система начинается с листа отрицательно заряженного графена, подвешенного между двумя металлическими электродами. Когда группы атомов поднимаются, графен изгибается и касается верхнего электрода, создавая положительный заряд, а когда они падают, они касаются нижнего электрода, который создает переменный ток.

Конечно, в микроскопическом масштабе количество производимой энергии ничтожно по большому счету, но все относительно. Каждая отдельная рябь деформирует площадь размером 10 нанометров в квадрате, и когда она соприкасается с электродом, она производит 10 пиковатт энергии. Это всего лишь искра, но эта энергия экспоненциально возрастает при масштабировании до участков графена шириной 10 микрон (10 000 нанометров).

В целом, эти патчи могут генерировать достаточно энергии для питания наручных часов, и, поскольку это происходит естественно и бесконечно, VEH может создать небольшую альтернативу батарее, которая теоретически никогда не изнашивается и никогда не требует зарядки. Затем исследователи планируют поэкспериментировать с другими материалами, помимо графена, и в конечном итоге эту технику можно будет применить к другим небольшим электронным устройствам, таким как кардиостимуляторы, слуховые аппараты и другие носимые устройства. Следующим шагом получения энергии с помощью графена является схема, которая может быть включена в чип, чтобы обеспечить чистую, безграничную, мощность низкого напряжения для небольших устройств или датчиков.

Новые результаты, опубликованные в журнале Physical Review E, являются доказательством теории, разработанной ранее физиками Университета три года назад, о том, что автономный графен — единственный слой атомов углерода — колеблется и изгибается таким образом, что это позволяет собирать энергию. В целом 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 ученых обнаружила, что при комнатной температуре тепловое движение графена действительно вызывает в цепи переменный ток (АС), что казалось невозможным.

Еще 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, физики построили 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. Они обнаружили, что поведение диодов при включении-выключении и переключении на самом деле усиливает подаваемую мощность, а не снижает ее, как считалось ранее.

Предполагается, что скорость изменения сопротивления, обеспечиваемого диодами, добавляет дополнительный фактор к мощности.

Команда использовала относительно новую область физики, чтобы доказать, что диоды увеличивают мощность схемы. При доказательстве этого увеличения мощности они опирались на зарождающуюся область стохастической термодинамики и расширили знаменитую теорию Найквиста почти столетней давности. По заверению ученых, графен и схема имеют симбиотические отношения. Хотя тепловая среда выполняет работу с нагрузочным резистором, графен и схема имеют одинаковую температуру, и тепло между ними не течет.

Это важное различие, поскольку разность температур между графеном и цепью, в силовой цепи производства, будет противоречить второму закону термодинамики. Это означает, что второй закон термодинамики не нарушается, и нет необходимости утверждать, что «Демон Максвелла» разделяет горячие и холодные электроны.

Команда также обнаружила, 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.

Университет Арканзаса имеет несколько заявленных патентов на эту технологию в США и на международном рынке и лицензировал ее для коммерческого применения через подразделение Technology Ventures университета. Следующая цель команды — определить, можно ли хранить постоянный ток в конденсаторе для последующего использования. Эта цель требует миниатюризации схемы и нанесения ее на кремниевую пластину или микросхему. Если бы миллионы этих крошечных схем могли быть построены на микросхеме размером 1 на 1 миллиметр, они могли бы служить заменой маломощной батареи.

В целом в исследованиях много спорных вопросов. Время и новые опыты – лучший судья. Будем вместе надеяться на новые реальные достижения.