Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Wetenschappers ontwerpen een nieuw niet-lineair circuit om schone energie te oogsten met behulp van grafeen

Credit:AlexanderAlUS/Wikipedia/CC BY-SA 3.0

Het verkrijgen van nuttig werk uit willekeurige fluctuaties in een systeem in thermisch evenwicht werd lange tijd als onmogelijk beschouwd. In feite heeft de eminente Amerikaanse natuurkundige Richard Feynman in de jaren zestig feitelijk verder onderzoek stopgezet nadat hij in een reeks lezingen had betoogd dat de Brownse beweging, of de thermische beweging van atomen, geen nuttig werk kan verrichten.



Nu blijkt uit een nieuwe studie gepubliceerd in Physical Review E getiteld "Opladen van condensatoren tegen thermische fluctuaties met behulp van diodes" heeft bewezen dat Feynman iets belangrijks heeft gemist.

Drie van de vijf auteurs van het artikel zijn afkomstig van de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Arkansas. Volgens eerste auteur Paul Thibado bewijst hun onderzoek op rigoureuze wijze dat thermische fluctuaties van vrijstaand grafeen, wanneer verbonden met een circuit met diodes met niet-lineaire weerstand en opslagcondensatoren, nuttig werk opleveren door de opslagcondensatoren op te laden.

De auteurs ontdekten dat wanneer de opslagcondensatoren een initiële lading van nul hebben, het circuit stroom uit de thermische omgeving haalt om ze op te laden.

Het team toonde vervolgens aan dat het systeem tijdens het laadproces aan zowel de eerste als de tweede wet van de thermodynamica voldoet. Ze ontdekten ook dat grotere opslagcondensatoren meer opgeslagen lading opleveren en dat een kleinere grafeencapaciteit zowel een hogere initiële oplaadsnelheid als een langere ontladingstijd biedt. Deze kenmerken zijn belangrijk omdat ze de tijd geven om de opslagcondensatoren los te koppelen van het energieoogstcircuit voordat de netto lading verloren gaat.

Deze nieuwste publicatie bouwt voort op twee eerdere onderzoeken van de groep. De eerste werd gepubliceerd in een Physical Review Letters uit 2016 . In dat onderzoek identificeerden Thibado en zijn co-auteurs de unieke trillingseigenschappen van grafeen en het potentieel ervan voor het oogsten van energie.

De tweede werd gepubliceerd in een Physical Review E uit 2020 artikel waarin ze een circuit bespreken dat gebruik maakt van grafeen dat schone, onbeperkte stroom kan leveren voor kleine apparaten of sensoren.

Deze laatste studie gaat zelfs nog verder door wiskundig het ontwerp vast te stellen van een circuit dat in staat is energie uit de hitte van de aarde te verzamelen en deze op te slaan in condensatoren voor later gebruik.

"Theoretisch wilden we dit bewijzen," legde Thibado uit. "Er zijn bekende energiebronnen, zoals kinetische, zonne-, omgevingsstraling, akoestische en thermische gradiënten. Nu is er ook niet-lineaire thermische energie. Meestal stellen mensen zich voor dat thermische energie een temperatuurgradiënt vereist. Dat wil zeggen, natuurlijk , een belangrijke bron van praktische kracht, maar wat we hebben gevonden is een nieuwe krachtbron die nog nooit eerder heeft bestaan. En deze nieuwe kracht vereist geen twee verschillende temperaturen omdat deze bij één enkele temperatuur bestaat."

Naast Thibado zijn co-auteurs onder meer Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh en Luis Bonilla. Kumar en Singh zijn ook natuurkundeprofessoren bij de Universiteit van Arkansas, Neu bij de Universiteit van Californië, Berkeley en Bonilla bij de Universidad Carlos III de Madrid.

Representatie van niet-lineaire thermische stroom. Krediet:Ben Goodwin

Een decennium van onderzoek

De studie vertegenwoordigt de oplossing voor een probleem dat Thibado al ruim tien jaar bestudeert, toen hij en Kumar voor het eerst de dynamische beweging van rimpelingen in vrijstaand grafeen op atomair niveau volgden. Grafeen, ontdekt in 2004, is een laagje grafiet van één atoom dik. Het duo ontdekte dat vrijstaand grafeen een gegolfde structuur heeft, waarbij elke rimpel op en neer beweegt als reactie op de omgevingstemperatuur.

"Hoe dunner iets is, hoe flexibeler het is", zei Thibado. "En met een dikte van slechts één atoom is er niets flexibeler. Het is net een trampoline die voortdurend op en neer beweegt. Als je wilt dat hij niet meer beweegt, moet je hem afkoelen tot 20 Kelvin."

Zijn huidige inspanningen bij de ontwikkeling van deze technologie zijn gericht op het bouwen van een apparaat dat hij een Graphene Energy Harvester (of GEH) noemt. GEH maakt gebruik van een negatief geladen laag grafeen, opgehangen tussen twee metalen elektroden.

Wanneer het grafeen omhoog klapt, induceert het een positieve lading in de bovenste elektrode. Wanneer hij naar beneden klapt, laadt hij de onderste elektrode positief op, waardoor er een wisselstroom ontstaat. Omdat de diodes tegengesteld zijn aangesloten, waardoor de stroom in beide richtingen kan stromen, worden er aparte paden door het circuit gecreëerd, waardoor een pulserende gelijkstroom wordt geproduceerd die werk doet aan een belastingsweerstand.

Commerciële toepassingen

NTS Innovations, een bedrijf gespecialiseerd in nanotechnologie, bezit de exclusieve licentie om GEH te ontwikkelen tot commerciële producten. Omdat GEH-circuits zo klein zijn, slechts nanometers groot, zijn ze ideaal voor massaduplicatie op siliciumchips. Wanneer meerdere GEH-circuits in arrays op een chip zijn ingebed, kan er meer stroom worden geproduceerd. Ze kunnen ook in veel omgevingen werken, waardoor ze bijzonder aantrekkelijk zijn voor draadloze sensoren op locaties waar het vervangen van batterijen lastig of duur is, zoals een ondergronds leidingsysteem of kabelgoten in vliegtuigen.

Donald Meyer, oprichter en CEO van NTS Innovations, zei:"Paul's onderzoek versterkt onze overtuiging dat we op de goede weg zijn met Graphene Energy Harvesting. We waarderen onze samenwerking met de Universiteit van Arkansas bij het op de markt brengen van deze technologie."

Ryan McCoy, vice-president verkoop en marketing van NTS Innovations, voegde hieraan toe:“Er is in de elektronica-industrie een brede vraag om de vormfactoren te verkleinen en de afhankelijkheid van batterijen en bekabelde stroom te verminderen. Wij geloven dat Graphene Energy Harvesting een diepgaande impact op beide zal hebben. "

Over de lange weg naar zijn laatste theoretische doorbraak zei Thibado:"Er was altijd de vraag:'Als ons grafeenapparaat zich in een heel stille, heel donkere omgeving bevindt, zou het dan energie oogsten of niet?' Het conventionele antwoord daarop is nee, omdat het blijkbaar in strijd is met de wetten van de natuurkunde. Maar er is nooit zorgvuldig naar de natuurkunde gekeken."

"Ik denk dat mensen een beetje bang waren voor het onderwerp vanwege Feynman. Dus iedereen zei gewoon:'Daar ga ik niet aan zitten.' Maar de vraag bleef onze aandacht opeisen. Eerlijk gezegd werd de oplossing alleen gevonden dankzij het doorzettingsvermogen en de diverse benaderingen van ons unieke team."

Meer informatie: P. M. Thibado et al, Condensatoren opladen tegen thermische fluctuaties met behulp van diodes, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , Fysieke beoordeling E

Aangeboden door Universiteit van Arkansas




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Zijn mannen of vrouwen betere navigators?
  2. Er sterft een massale vissterfte in Vietnam terwijl Zuidoost-Azië door een hittegolf wordt geteisterd
  3. Hoe huilen werkt
  4. Het verschil tussen een sporofyt en gametofyt
  5. Door klimaat beïnvloede veranderingen in bloei, vruchtvorming heeft ook invloed op de vogelstand, activiteiten
  6. Er zijn aanwijzingen dat sabeltandkatten hun melktanden vasthielden om hun sabels te stabiliseren
  7. Onderzoekers ontwikkelen nieuwe tool voor gerichte celcontrole
  8. Van wild tot gedomesticeerd:wetenschappers onthullen 100.000 jaar voortdurende evolutie van rijst
  9. Braziliaanse onderzoekers ontdekken zes nieuwe soorten zijdemiereneter

Wetenschap