Att erhålla användbart arbete från slumpmässiga fluktuationer i ett system vid termisk jämvikt har länge ansetts omöjligt. På 1960-talet stängde den framstående amerikanske fysikern Richard Feynman faktiskt ner ytterligare utredningar efter att han i en serie föreläsningar hävdat att Brownsk rörelse, eller atomernas termiska rörelse, inte kan utföra användbart arbete.
Nu, en ny studie publicerad i Physical Review E titeln "Ladda kondensatorer från termiska fluktuationer med hjälp av dioder" har bevisat att Feynman missade något viktigt.
Tre av tidningens fem författare är från University of Arkansas Department of Physics. Enligt första författaren Paul Thibado bevisar deras studie rigoröst att termiska fluktuationer av fristående grafen, när de är anslutna till en krets med dioder med olinjärt motstånd och lagringskondensatorer, ger användbart arbete genom att ladda lagringskondensatorerna.
Författarna fann att när lagringskondensatorerna har en initial laddning på noll, drar kretsen ström från den termiska miljön för att ladda dem.
Teamet visade sedan att systemet uppfyller både termodynamikens första och andra lag under hela laddningsprocessen. De fann också att större lagringskondensatorer ger mer lagrad laddning och att en mindre grafenkapacitans ger både en högre initial laddningshastighet och längre tid för urladdning. Dessa egenskaper är viktiga eftersom de ger tid att koppla bort lagringskondensatorerna från energiuppsamlingskretsen innan nettoladdningen går förlorad.
Denna senaste publikation bygger på två av gruppens tidigare studier. Den första publicerades i en 2016 Physical Review Letters . I den studien identifierade Thibado och hans medförfattare de unika vibrationsegenskaperna hos grafen och dess potential för energiskörd.
Den andra publicerades i en Physical Review E 2020 artikel där de diskuterar en krets som använder grafen som kan leverera ren, obegränsad kraft till små enheter eller sensorer.
Den här senaste studien går ännu längre genom att matematiskt fastställer designen av en krets som kan samla energi från jordens värme och lagra den i kondensatorer för senare användning.
"Teoretiskt sett var detta vad vi ville bevisa," förklarade Thibado. "Det finns välkända energikällor, som kinetiska, solenergi, omgivande strålning, akustiska och termiska gradienter. Nu finns det också icke-linjär värmeeffekt. Vanligtvis föreställer sig folk att värmekraft kräver en temperaturgradient. Det vill säga, naturligtvis , en viktig kraftkälla, men det vi hittade är en ny kraftkälla som aldrig har funnits tidigare. Och denna nya kraft kräver inte två olika temperaturer eftersom den finns vid en enda temperatur."
Förutom Thibado är medförfattare Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh och Luis Bonilla. Kumar och Singh är också fysikprofessorer vid University of Arkansas, Neu vid University of California, Berkeley och Bonilla vid Universidad Carlos III de Madrid.
Ett decennium av undersökningar
Studien representerar lösningen på ett problem som Thibado har studerat i mer än ett decennium, när han och Kumar först spårade den dynamiska rörelsen av krusningar i fristående grafen på atomnivå. Upptäcktes 2004, grafen är ett enatomtjockt ark av grafit. Duon observerade att fristående grafen har en krusad struktur, där varje krusning vänder upp och ner som svar på omgivningstemperaturen.
"Ju tunnare något är, desto mer flexibelt är det," sa Thibado. "Och med bara en atomtjocklek finns det inget mer flexibelt. Det är som en studsmatta som hela tiden rör sig upp och ner. Om du vill hindra den från att röra sig måste du kyla ner den till 20 Kelvin."
Hans nuvarande ansträngningar i utvecklingen av denna teknik är inriktade på att bygga en enhet som han kallar en Graphene Energy Harvester (eller GEH). GEH använder ett negativt laddat ark av grafen suspenderat mellan två metallelektroder.
När grafenet fälls upp, inducerar det en positiv laddning i den översta elektroden. När den fälls ned laddar den den nedre elektroden positivt, vilket skapar en växelström. Med dioder kopplade i motsatta riktningar, vilket gör att strömmen kan flyta åt båda hållen, tillhandahålls separata vägar genom kretsen, som producerar en pulserande likström som utför arbete på ett belastningsmotstånd.
NTS Innovations, ett företag specialiserat på nanoteknik, äger den exklusiva licensen att utveckla GEH till kommersiella produkter. Eftersom GEH-kretsar är så små, bara nanometer i storlek, är de idealiska för massduplicering på kiselchips. När flera GEH-kretsar är inbäddade på ett chip i arrayer, kan mer kraft produceras. De kan också fungera i många miljöer, vilket gör dem särskilt attraktiva för trådlösa sensorer på platser där det är obekvämt eller dyrt att byta batterier, såsom ett underjordiskt rörsystem eller invändiga flygplanskabelkanaler.
Donald Meyer, grundare och VD för NTS Innovations, sa:"Pauls forskning förstärker vår övertygelse om att vi är på rätt väg med Graphene Energy Harvesting. Vi uppskattar vårt partnerskap med University of Arkansas för att få ut denna teknik på marknaden."
Ryan McCoy, NTS Innovations vice VD för försäljning och marknadsföring, tillade:"Det finns en bred efterfrågan inom elektronikindustrin för att krympa formfaktorer och minska beroendet av batterier och trådbunden ström. Vi tror att Graphene Energy Harvesting kommer att ha en djupgående inverkan på båda. "
Om den långa vägen till sitt senaste teoretiska genombrott sa Thibado:"Det fanns alltid den här frågan där ute:'Om vår grafenenhet är i en riktigt tyst, riktigt mörk miljö, skulle den skörda någon energi eller inte?" Det konventionella svaret på det är nej, eftersom det tydligen trotsar fysikens lagar, men fysiken hade aldrig tittat på noggrant."
"Jag tror att folk var lite rädda för ämnet på grund av Feynman. Så alla sa bara, "jag rör inte det där." Men frågan fortsatte bara att kräva vår uppmärksamhet. Ärligt talat, lösningen hittades bara genom uthålligheten och olika tillvägagångssätt från vårt unika team."
Mer information: P. M. Thibado et al, Laddning av kondensatorer från termiska fluktuationer med hjälp av dioder, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , Fysisk granskning E
Tillhandahålls av University of Arkansas
