Un team di fisici dell'Università dell'Arkansas ha sviluppato con successo un circuito in grado di catturare il movimento termico del grafene e convertirlo in corrente elettrica.

"Un circuito di raccolta dell'energia basato sul grafene potrebbe essere incorporato in un chip per fornire senza limiti, alimentazione a bassa tensione per piccoli dispositivi o sensori, " ha detto Paul Thibado, professore di fisica e ricercatore capo della scoperta.

Le scoperte, pubblicato sulla rivista Revisione fisica E , sono la prova di una teoria sviluppata dai fisici presso l'U of A tre anni fa secondo cui il grafene indipendente, un singolo strato di atomi di carbonio, si increspa e si deforma in un modo che promette di raccogliere energia.

L'idea di raccogliere energia dal grafene è controversa perché confuta la ben nota affermazione del fisico Richard Feynman secondo cui il movimento termico degli atomi, noto come moto browniano, non può lavorare. Il team di Thibado ha scoperto che a temperatura ambiente il movimento termico del grafene induce di fatto una corrente alternata (AC) in un circuito, un traguardo ritenuto impossibile.

Negli anni Cinquanta, il fisico Léon Brillouin ha pubblicato un documento fondamentale che confuta l'idea che l'aggiunta di un singolo diodo, un cancello elettrico unidirezionale, a un circuito è la soluzione per raccogliere energia dal moto browniano. Sapendo questo, Il gruppo di Thibado ha costruito il proprio circuito con due diodi per convertire la corrente alternata in una corrente continua (CC). Con i diodi in opposizione che consentono alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, forniscono percorsi separati attraverso il circuito, producendo una corrente continua pulsante che esegue il lavoro su un resistore di carico.

Inoltre, hanno scoperto che il loro design aumentava la quantità di potenza erogata. "Abbiamo anche scoperto che l'on-off, il comportamento a interruttore dei diodi amplifica effettivamente la potenza erogata, invece di ridurlo, come si pensava in precedenza, " ha detto Thibado. "La velocità di variazione della resistenza fornita dai diodi aggiunge un ulteriore fattore alla potenza."

Il team ha utilizzato un campo della fisica relativamente nuovo per dimostrare che i diodi aumentavano la potenza del circuito. "Nel dimostrare questo aumento di potenza, abbiamo attinto dal campo emergente della termodinamica stocastica ed esteso il quasi centenario, celebre teoria di Nyquist, " ha detto il coautore Pradeep Kumar, professore associato di fisica e coautore.

Secondo Kumar, il grafene e il circuito condividono una relazione simbiotica. Sebbene l'ambiente termico stia eseguendo lavori sulla resistenza di carico, il grafene e il circuito sono alla stessa temperatura e il calore non scorre tra i due.

Questa è una distinzione importante, disse Thibado, perché una differenza di temperatura tra il grafene e il circuito, in un circuito che produce energia, contraddirebbe la seconda legge della termodinamica. "Ciò significa che la seconda legge della termodinamica non è violata, né c'è bisogno di sostenere che "il demone di Maxwell" sta separando gli elettroni caldi e freddi, " disse Thibado.

Il team ha anche scoperto che il movimento relativamente lento del grafene induce corrente nel circuito a basse frequenze, il che è importante dal punto di vista tecnologico perché l'elettronica funziona in modo più efficiente alle frequenze più basse.

"La gente potrebbe pensare che la corrente che scorre in un resistore lo faccia surriscaldare, ma la corrente browniana no. Infatti, se non scorreva corrente, la resistenza si raffredderebbe, " ha spiegato Thibado. "Quello che abbiamo fatto è stato reindirizzare la corrente nel circuito e trasformarla in qualcosa di utile".

Il prossimo obiettivo del team è determinare se la corrente continua può essere immagazzinata in un condensatore per un uso successivo, un obiettivo che richiede di miniaturizzare il circuito e modellarlo su un wafer di silicio, o chip. Se milioni di questi minuscoli circuiti potessero essere costruiti su un chip da 1 millimetro per 1 millimetro, potrebbero servire come sostituzione della batteria a bassa potenza.