Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Arkansas heeft met succes een circuit ontwikkeld dat in staat is de thermische beweging van grafeen vast te leggen en om te zetten in een elektrische stroom.

"Een energie-oogstcircuit op basis van grafeen zou in een chip kunnen worden ingebouwd om schone, grenzeloos, laagspanningsvoeding voor kleine apparaten of sensoren, " zei Paul Thibado, hoogleraar natuurkunde en hoofdonderzoeker bij de ontdekking.

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordeling E , zijn het bewijs van een theorie die de natuurkundigen drie jaar geleden aan de U of A ontwikkelden dat vrijstaand grafeen - een enkele laag koolstofatomen - rimpelt en knikt op een manier die veelbelovend is voor het oogsten van energie.

Het idee om energie uit grafeen te halen is controversieel omdat het de bekende bewering van natuurkundige Richard Feynman weerlegt dat de thermische beweging van atomen, bekend als Brownse beweging, kan geen werk doen. Thibado's team ontdekte dat bij kamertemperatuur de thermische beweging van grafeen inderdaad een wisselstroom (AC) in een circuit induceert, een prestatie die voor onmogelijk werd gehouden.

In de jaren vijftig, natuurkundige Léon Brillouin publiceerde een baanbrekend artikel waarin hij het idee weerlegde dat het toevoegen van een enkele diode, een elektrische eenrichtingspoort, naar een circuit is de oplossing voor het oogsten van energie uit Brownse beweging. Dit wetende, Thibado's groep bouwde hun circuit met twee diodes om wisselstroom om te zetten in gelijkstroom (DC). Met de diodes in oppositie waardoor de stroom in beide richtingen kan stromen, ze bieden aparte paden door het circuit, het produceren van een pulserende gelijkstroom die werk verricht op een belastingsweerstand.

Aanvullend, ze ontdekten dat hun ontwerp de hoeveelheid geleverde stroom verhoogde. "We ontdekten ook dat de aan-uit, schakelachtig gedrag van de diodes versterkt feitelijk het geleverde vermogen, in plaats van het te verminderen, zoals eerder gedacht, "zei Thibado. "De snelheid van verandering in weerstand die door de diodes wordt geleverd, voegt een extra factor toe aan het vermogen."

Het team gebruikte een relatief nieuw natuurkundig gebied om te bewijzen dat de diodes het vermogen van het circuit vergrootten. "Bij het bewijzen van deze krachtverbetering, we putten uit het opkomende veld van de stochastische thermodynamica en breidden de bijna honderdjarige, gevierde theorie van Nyquist, " zei co-auteur Pradeep Kumar, universitair hoofddocent natuurkunde en co-auteur.

Volgens Kumar, het grafeen en circuit delen een symbiotische relatie. Hoewel de thermische omgeving werkzaamheden aan de belastingsweerstand uitvoert, het grafeen en het circuit hebben dezelfde temperatuur en er stroomt geen warmte tussen de twee.

Dat is een belangrijk onderscheid, zei Thibado, omdat een temperatuurverschil tussen grafeen en circuit, in een circuit dat stroom produceert, zou in tegenspraak zijn met de tweede wet van de thermodynamica. "Dit betekent dat de tweede wet van de thermodynamica niet wordt geschonden, het is ook niet nodig om te beweren dat 'Maxwell's Demon' warme en koude elektronen scheidt, ' zei Thibado.

Het team ontdekte ook dat de relatief langzame beweging van grafeen stroom in het circuit induceert bij lage frequenties, wat belangrijk is vanuit technologisch perspectief omdat elektronica efficiënter werkt bij lagere frequenties.

"Mensen denken misschien dat de stroom die in een weerstand vloeit ervoor zorgt dat deze opwarmt, maar de Brownse stroom niet. In feite, als er geen stroom vloeide, de weerstand zou afkoelen, Thibado legde uit. "Wat we deden was de stroom in het circuit omleiden en omzetten in iets bruikbaars."

Het volgende doel van het team is om te bepalen of de gelijkstroom kan worden opgeslagen in een condensator voor later gebruik. een doel waarvoor het circuit moet worden geminiaturiseerd en op een siliciumwafel moet worden gemodelleerd, of chippen. Als miljoenen van deze kleine circuits zouden kunnen worden gebouwd op een chip van 1 millimeter bij 1 millimeter, ze kunnen dienen als vervanging voor een batterij met een laag vermogen.