能量收集芯片原型图像
保罗Thibado持有原型能量收集筹码。(罗素Cothren照片)

物理学家阿肯色大学的一个研究小组已经成功开发能够捕获石墨烯的热运动,并将其转换成电流的电路。

该发现的首席研究员、物理学教授Paul Thibado说:“基于石墨烯的能量收集电路可以集成到芯片中,为小型设备或传感器提供清洁、无限的低压电源。”

这些发现证明了阿肯色大学物理学家三年前提出的一个理论,即石墨烯——一层碳原子——以一种涟漪和弯曲的方式产生能量收集的希望

从石墨烯中获取能量的想法是有争议的,因为它驳斥了物理学家理查德·费曼(Richard Feynman)的著名论断,即原子的热运动,即布朗运动,不能做功。Thibado的团队发现,在室温下,石墨烯的热运动确实会在电路中产生交流电,这一成就被认为是不可能实现的。

在20世纪50年代,物理学家列昂布里渊发表了划时代的论文反驳的想法,添加单个二极管,单向电栅极,一个电路是从布朗运动的解决方案来采集能量。认识到这一点,Thibado的研究小组建立了自己的电路,两个二极管用于转换AC转换成直流(DC)。在反对二极管允许沿着两个方向流动的电流,它们提供通过电路单独路径,产生一个脉冲DC电流,其对的负载电阻工作。

此外,他们还发现,他们的设计增加了电源的交付量。“我们还发现,通断,开关式二极管的行为实际上放大交付,而不是降低它的力量,如以前认为的,” Thibado说。“在由二极管提供电阻变化率增加了额外的因子到电源”。

该团队使用了一个相对较新的物理学领域来证明二极管增加了电路的功率。为了证明这种能量的增强,研究小组从随机热力学的涌现领域中汲取经验,扩展了近一个世纪以来著名的奈奎斯特理论。

据研究人员介绍,石墨烯和电路共享一个共生的关系。虽然热环境是在负载电阻做功,石墨烯和电路是在相同的温度和热不会在两者之间流动。

这是一个重要的区别,说Thibado,因为石墨烯和电路之间的温度差,在电路中产生的功率,将违背热力学第二定律。“这意味着,热力学第二定律不受侵犯,也没有任何必要争辩说,‘麦克斯韦妖’是分离的冷热电子,” Thibado说。

研究小组还发现,石墨烯的相对慢速运动诱导在低频率的电路,因为电子在较低的频率更有效地发挥作用,其是从技术角度重要电流。

“人们可能认为在电阻器中流动电流使其升温,但布朗目前没有。事实上,如果没有电流流过,电阻会冷静下来,” Thibado解释。“我们所做的是在重新路由电路中的电流,并将其转化为有用的东西。”

该球队的下一个目标是确定的直流电流可被存储在电容器中供以后使用,要求小型化和电路的硅晶片上图案化它的目标。如果数以百万计这些细小的电路可以在1毫米1毫米的芯片内置,它们可以作为一个低功耗的电池更换。