物理学家利用石墨烯的原子运动产生清洁，无限的功率

研究人员建立了利用石墨烯的原子运动产生电流的电路，该电流可能导致芯片替换电池。

阿肯色大学物理学家团队成功开发了一种电路，能够捕获石墨烯的热运动并将其转换为电流。

“发现可以将基于石墨烯的能量收集电路集成到芯片中，从而为小型设备或传感器提供干净，无限的低压电源，”物理学教授，研究的首席研究员保罗·蒂巴多（Paul Thibado）说。

该发现发表在《物理评论E》杂志上，证明了物理学家三年前在美国大学（U）上开发的理论，即独立的石墨烯（单层碳原子）会产生波纹和弯曲，从而为能量收集带来希望。

从石墨烯中收集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）的众所周知的断言，即原子的热运动（称为布朗运动）不能起作用。蒂巴多（Thibado）的小组发现，在室温下，石墨烯的热运动实际上确实会在电路中感应出交流电（AC），这一成就被认为是不可能的。

石墨烯芯片测试—正在开发的示例能量收集芯片。

在1950年代，物理学家莱昂·布里渊（LéonBrillouin）发表了一篇具有里程碑意义的论文，驳斥了在电路中添加单个二极管（单向电门）是从布朗运动中收集能量的解决方案的想法。知道这一点后，蒂巴多（Thibado）的小组在电路中建立了两个二极管，用于将交流电转换为直流电（DC）。二极管处于相对状态时，允许电流双向流动，它们提供了通过电路的独立路径，从而产生脉冲式直流电流，该电流在负载电阻上发挥作用。

此外，他们发现他们的设计增加了传递的功率。蒂巴多说：“我们还发现，二极管的通断，类似开关的行为实际上放大了所传递的功率，而不是像以前所认为的那样降低了功率。”该团队使用了一个相对较新的物理领域来证明二极管增加了电路的
功率。“二极管提供的电阻变化率为功率增加了一个额外的因素。”物理学的副教授兼合著者普拉德普·库马尔（Pradeep Kumar）说：“在证明这种功率增强的过程中，我们借鉴了随机热力学的新兴领域，并扩展了近百年历史的著名奈奎斯特理论。”

Kumar认为，石墨烯与电路具有共生关系。尽管热环境在负载电阻上起作用，但石墨烯和电路处于相同温度，并且两者之间没有热量流动。

蒂巴多（Thibado）的能量收集电路利用石墨烯的原子运动产生可以执行功的电流。

蒂巴多说，这是一个重要的区别，因为在产生功率的电路中，石墨烯与电路之间的温差将与热力学第二定律相矛盾。蒂巴多说：“这意味着没有违反热力学的第二定律，也没有必要争论'麦克斯韦的恶魔”正在分离热电子和冷电子。

该团队还发现，石墨烯的相对较慢的运动会在低频下在电路中感应出电流，这从技术角度来看很重要，因为电子器件在低频下会更有效地发挥作用。

物理学教授保罗·蒂巴多（Paul Thibado）拥有原型能量收集芯片。

人们可能会认为，电阻器中流动的电流会导致其发热，但布朗电流不会。实际上，如果没有电流流过，则电阻器会冷却下来。 Thibado解释说。“我们所做的就是重新路由电路中的电流，并将其转换为有用的东西。”

该小组的下一个目标是确定直流电流是否可以存储在电容器中以备后用，该目标要求将电路小型化并在硅晶片或芯片上进行构图。如果数百万个这样的微小电路可以在1毫米乘1毫米的芯片上构建，则它们可以用作低功耗电池的替代品。

参考：P. M. Thibado，P.Kumar，Surendra Singh，M.Ruiz-Garcia，A.Lasanta和L.L. Bonilla的“由独立石墨烯引起的波动引起的电流”，2020年10月2日，《物理评论》 E.DOI：
10.1103 / PhysRevE.102.042101

阿肯色大学拥有该技术在美国和国际市场上的多项专利，并已通过该大学的Technology Ventures协议将其许可用于商业应用。研究人员苏伦德拉·辛格（Surendra Singh），大学物理学教授； ;休·丘吉尔（Hugh Churchill），物理学副教授；工程副教授杰夫·迪克斯（Jeff Dix）为这项工作做出了贡献，这项工作是由沃尔顿家庭慈善支持基金会（Walton Family Charitable Support Foundation）支持的总理商业化基金资助的。