Fysikere bygger kredsløb, der genererer rent, grænseløs kraft fra grafen

Et hold fysikere fra University of Arkansas har med succes udviklet et kredsløb, der er i stand til at fange grafens termiske bevægelser og konvertere det til en elektrisk strøm.

"Et energiopsamlingskredsløb baseret på grafen kunne inkorporeres i en chip for at give rent, grænseløs, lavspændingsstrøm til små enheder eller sensorer, " sagde Paul Thibado, professor i fysik og hovedforsker i opdagelsen.

Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgang E , er bevis på en teori, fysikerne udviklede ved U of A for tre år siden, om, at fritstående grafen - et enkelt lag af kulstofatomer - kruser og spænder på en måde, der lover energihøst.

Ideen om at høste energi fra grafen er kontroversiel, fordi den modbeviser fysiker Richard Feynmans velkendte påstand om, at atomers termiske bevægelse, kendt som Brownsk bevægelse, ikke kan arbejde. Thibados team fandt ud af, at grafens termiske bevægelse ved stuetemperatur faktisk fremkalder en vekselstrøm (AC) i et kredsløb, en præstation, der menes at være umulig.

I 1950'erne, fysiker Léon Brillouin udgav et skelsættende papir, der modbeviste tanken om, at tilføjelse af en enkelt diode, en envejs elektrisk port, til et kredsløb er løsningen på at høste energi fra Brownsk bevægelse. Ved dette, Thibados gruppe byggede deres kredsløb med to dioder til at konvertere AC til en jævnstrøm (DC). Med dioderne i modsat position, så strømmen kan flyde begge veje, de giver separate stier gennem kredsløbet, producerer en pulserende jævnstrøm, der udfører arbejde på en belastningsmodstand.

Derudover de opdagede, at deres design øgede mængden af ​​leverede strøm. "Vi fandt også ud af, at tænd-sluk, switch-lignende opførsel af dioderne faktisk forstærker den leverede effekt, i stedet for at reducere det, som tidligere antaget, "sagde Thibado." Hastigheden af ​​ændring i modstand leveret af dioderne tilføjer en ekstra faktor til effekten. "

Holdet brugte et relativt nyt felt inden for fysik til at bevise, at dioderne øgede kredsløbets effekt. "Ved at bevise denne kraftforbedring, vi trak fra det nye felt af stokastisk termodynamik og udvidede den næsten århundrede gamle, berømt teori om Nyquist, "sagde medforfatter Pradeep Kumar, lektor i fysik og medforfatter.

Ifølge Kumar, grafen og kredsløb deler et symbiotisk forhold. Selvom det termiske miljø udfører arbejde på belastningsmodstanden, grafen og kredsløb har samme temperatur, og varme flyder ikke mellem de to.

Det er en vigtig sondring, sagde Thibado, fordi en temperaturforskel mellem grafen og kredsløb, i et kredsløb, der producerer strøm, ville modsige termodynamikkens anden lov. "Det betyder, at termodynamikkens anden lov ikke overtrædes, Der er heller ingen grund til at argumentere for, at 'Maxwell's Demon' adskiller varme og kolde elektroner, " sagde Thibado.

Holdet opdagede også, at den relativt langsomme bevægelse af grafen inducerer strøm i kredsløbet ved lave frekvenser, hvilket er vigtigt ud fra et teknologisk perspektiv, fordi elektronik fungerer mere effektivt ved lavere frekvenser.

"Folk tror måske, at strømmen, der flyder i en modstand, får den til at varme op, men det gør den brunske strøm ikke. Faktisk, hvis der ikke løb nogen strøm, modstanden ville køle ned, Thibado forklarede. "Det, vi gjorde, var at omdirigere strømmen i kredsløbet og omdanne den til noget nyttigt."

Holdets næste mål er at afgøre, om DC-strømmen kan lagres i en kondensator til senere brug, et mål, der kræver miniaturisering af kredsløbet og mønster det på en siliciumskive, eller chip. Hvis millioner af disse små kredsløb kunne bygges på en 1-millimeter gange 1-millimeter chip, de kunne tjene som batterierstatning med lavt strømforbrug.