Предоставлено: Университет Арканзаса.
Исследователи построили схему, которая использовала атомное движение графен для генерации электрического тока, который может привести к замене батареек микросхемой.
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 мощность для небольших устройств или датчиков», – сказал Пол Тибадо, профессор физики и ведущий исследователь этого открытия.
Выводы, опубликованные в журнале Физический обзор E, являются доказательством теории, разработанной физиками в Университете А три года назад, о том, что автономный графен – единственный слой атомов углерода – изгибается и изгибается таким образом, что это многообещающе для сбора энергии.
Идея сбора энергии из графена является спорным, поскольку он опровергает известное утверждение физик Ричард Фейнман о том, что тепловое движение атомов, известный как броуновское движение, не может выполнять работу. Команда Тибадо обнаружила, что при комнатной температуре тепловое движение графена на самом деле вызывает в цепи переменный ток (AC), что казалось невозможным.
Тестирование графенового чипа – образец чипа для сбора энергии в стадии разработки. Предоставлено: Университет Арканзаса.
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».
Команда использовала относительно новую область физики, чтобы доказать, что диоды увеличивают мощность схемы. «При доказательстве этого увеличения мощности мы опирались на зарождающуюся область стохастической термодинамики и расширили знаменитую теорию Найквиста почти столетней давности», – сказал соавтор Прадип Кумар, доцент физики и соавтор.
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.
Схема сбора энергии Тибадо использует атомное движение графена для генерации электрического тока, который может выполнять работу. Предоставлено: иллюстрация Эшли Акорд.
Это важное различие, сказал Тибадо, 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.
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.
Пол Тибадо, профессор физики, держит прототип чипов для сбора энергии. Предоставлено: Рассел Котрен, Университет Арканзаса.
«Люди могут подумать, что ток, протекающий через резистор, вызывает его нагрев, но броуновский ток – нет. Фактически, если бы не было тока, резистор остыл бы », – объяснил Тибадо. «Мы перенаправили ток в цепи и превратили его во что-то полезное».
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.
Ссылка: 2 октября 2020 г., Физический обзор E.
DOI: 10.1103 / PhysRevE.102.042101
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. Исследователи Сурендра Сингх, профессор физики университета; ; Хью Черчилль, доцент физики; Джефф Дикс, доцент кафедры инженерии, внес свой вклад в работу, которая финансировалась Канцлерским фондом коммерциализации при поддержке Благотворительного фонда поддержки семьи Уолтонов.
