Ottenere lavoro utile da fluttuazioni casuali in un sistema all’equilibrio termico è stato a lungo considerato impossibile. Infatti, negli anni '60 l'eminente fisico americano Richard Feynman interruppe di fatto ulteriori ricerche dopo aver sostenuto in una serie di conferenze che il movimento browniano, o il movimento termico degli atomi, non può svolgere un lavoro utile.
Ora, un nuovo studio pubblicato su Physical Review E intitolato "Caricamento di condensatori da fluttuazioni termiche mediante diodi" ha dimostrato che Feynman si è perso qualcosa di importante.
Tre dei cinque autori dell'articolo provengono dal Dipartimento di Fisica dell'Università dell'Arkansas. Secondo il primo autore Paul Thibado, il loro studio dimostra rigorosamente che le fluttuazioni termiche del grafene indipendente, quando collegato a un circuito con diodi con resistenza non lineare e condensatori di stoccaggio, produce lavoro utile caricando i condensatori di stoccaggio.
Gli autori hanno scoperto che quando i condensatori di accumulo hanno una carica iniziale pari a zero, il circuito trae energia dall'ambiente termico per caricarli.
Il team ha poi dimostrato che il sistema soddisfa sia la prima che la seconda legge della termodinamica durante tutto il processo di carica. Hanno anche scoperto che condensatori di stoccaggio più grandi producono una maggiore carica immagazzinata e che una capacità di grafene più piccola fornisce sia una velocità iniziale di carica più elevata che un tempo di scarica più lungo. Queste caratteristiche sono importanti perché danno il tempo di disconnettere i condensatori di accumulo dal circuito di raccolta dell'energia prima che la carica netta venga persa.
Quest'ultima pubblicazione si basa su due studi precedenti del gruppo. Il primo è stato pubblicato in una Physical Review Letters del 2016 . In quello studio, Thibado e i suoi coautori hanno identificato le proprietà vibrazionali uniche del grafene e il suo potenziale per la raccolta di energia.
Il secondo è stato pubblicato in una Physical Review E del 2020 articolo in cui si discute di un circuito che utilizza il grafene in grado di fornire energia pulita e illimitata per piccoli dispositivi o sensori.
Quest'ultimo studio fa ulteriori progressi stabilendo matematicamente la progettazione di un circuito in grado di raccogliere energia dal calore della terra e immagazzinarla in condensatori per un uso successivo.
"In teoria, questo era ciò che volevamo dimostrare", ha spiegato Thibado. "Esistono fonti di energia ben note, come la radiazione cinetica, solare, ambientale, acustica e termica. Ora esiste anche l'energia termica non lineare. Di solito, le persone immaginano che l'energia termica richieda un gradiente di temperatura. Questo è, ovviamente, , un'importante fonte di energia pratica, ma quello che abbiamo trovato è una nuova fonte di energia che non è mai esistita prima e questa nuova energia non richiede due temperature diverse perché esiste ad un'unica temperatura."
Oltre a Thibado, i coautori includono Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh e Luis Bonilla. Kumar e Singh sono anche professori di fisica presso l'Università dell'Arkansas, Neu presso l'Università della California, Berkeley e Bonilla presso l'Università Carlos III de Madrid.
Un decennio di ricerche
Lo studio rappresenta la soluzione a un problema che Thibado studia da oltre un decennio, quando lui e Kumar per primi tracciarono il movimento dinamico delle increspature nel grafene indipendente a livello atomico. Scoperto nel 2004, il grafene è un foglio di grafite spesso un atomo. I due hanno osservato che il grafene indipendente ha una struttura increspata, con ciascuna increspatura che si muove su e giù in risposta alla temperatura ambiente.
"Più qualcosa è sottile, più è flessibile", ha detto Thibado. "E con lo spessore di un solo atomo, non c'è niente di più flessibile. È come un trampolino, che si muove costantemente su e giù. Se vuoi impedirgli di muoversi, devi raffreddarlo a 20 Kelvin."
I suoi attuali sforzi nello sviluppo di questa tecnologia sono concentrati sulla costruzione di un dispositivo che chiama Graphene Energy Harvester (o GEH). GEH utilizza un foglio di grafene caricato negativamente sospeso tra due elettrodi metallici.
Quando il grafene si solleva, induce una carica positiva nell’elettrodo superiore. Quando si abbassa, carica positivamente l'elettrodo inferiore, creando una corrente alternata. Con i diodi cablati in opposizione, consentendo alla corrente di fluire in entrambe le direzioni, vengono forniti percorsi separati attraverso il circuito, producendo una corrente continua pulsante che esegue lavoro su un resistore di carico.
NTS Innovations, una società specializzata in nanotecnologie, possiede la licenza esclusiva per sviluppare GEH in prodotti commerciali. Poiché i circuiti GEH sono così piccoli, di soli nanometri, sono ideali per la duplicazione di massa su chip di silicio. Quando più circuiti GEH sono incorporati in un chip in array, è possibile produrre più potenza. Possono inoltre funzionare in molti ambienti, il che li rende particolarmente interessanti per i sensori wireless in luoghi in cui la sostituzione delle batterie è scomoda o costosa, come un sistema di tubazioni sotterranee o condotti per cavi interni di aerei.
Donald Meyer, fondatore e CEO di NTS Innovations, ha affermato:"La ricerca di Paul rafforza la nostra convinzione di essere sulla strada giusta con il Graphene Energy Harvesting. Apprezziamo la nostra partnership con l'Università dell'Arkansas nel portare questa tecnologia sul mercato."
Ryan McCoy, vicepresidente vendite e marketing di NTS Innovations, ha aggiunto:"C'è un'ampia richiesta nel settore dell'elettronica di ridurre i fattori di forma e diminuire la dipendenza dalle batterie e dall'energia cablata. Riteniamo che il Graphene Energy Harvesting avrà un profondo impatto su entrambi. "
Della lunga strada per realizzare la sua ultima svolta teorica, Thibado ha detto:"C'era sempre questa domanda là fuori:'Se il nostro dispositivo al grafene si trova in un ambiente molto silenzioso e molto buio, raccoglierebbe energia o no?' La risposta convenzionale è no, poiché apparentemente sfida le leggi della fisica, ma la fisica non è mai stata esaminata attentamente."
"Penso che la gente avesse un po' paura dell'argomento a causa di Feynman. Quindi, tutti dicevano semplicemente:'Non lo toccherò'. Ma la domanda continuava a richiedere la nostra attenzione. Onestamente, la soluzione è stata trovata solo grazie alla perseveranza e agli approcci diversificati del nostro team unico."
Ulteriori informazioni: P. M. Thibado et al, Carica di condensatori da fluttuazioni termiche mediante diodi, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , Revisione fisica E
Fornito dall'Università dell'Arkansas
