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2D材料

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波纹石墨烯收获热能

21 Oct 2020
保罗·蒂巴多
无限:Paul Thibado拥有原型能量收集芯片。 (礼貌:罗素·科伦)

一小片石墨烯的波纹状热运动已被一种特殊的电路所利用,该电路可提供低压电能。该系统是由美国和西班牙的研究人员创建的,他们说,如果可以在芯片上复制足够多的时间,那么它可以为“小型设备提供干净,无限,低压的电源”。

布朗运动是由液体或气体中的原子或分子阻隔的微小粒子的随机运动,利用这种运动来做有用的工作的想法由来已久。在1960年代初期,诺贝尔奖获得者理查德·费曼(Richard Feynman)普及了一个名为“布朗棘轮”的思想实验,该实验是由波兰物理学家玛丽安·斯莫卢霍夫斯基(Marian Smoluchowski)于1912年提出的。这涉及通过轴与棘轮齿轮连接的明轮。桨轮和棘轮均浸入液体中。可以想象该系统足够小,以至于单个分子的撞击足以转动桨。由于棘轮的作用,桨只能沿一个方向转动,因此似乎可以利用桨的布朗运动来完成转动车轴的工作。

但是,费曼证明,如果两种流体处于相同的温度,则整个系统之间的碰撞将阻止这种情况的发生。费曼认为,唯一可以完成工作的方法是,如果流体温度不同,那么布朗棘轮就成为热力发动机。

独立式石墨烯

在他们的新研究中,阿肯色大学物理学家 保罗·蒂巴多 和他的同事们用一片独立的石墨烯(单层碳原子)代替了桨。在2014年的一项研究中,该团队使用扫描隧道显微镜发现了石墨烯在室温下来回波动,就像在海洋表面上的波浪一样。实际上,这些波纹为薄板提供了它们需要存在的稳定性。

该小组的能量收集电路的特征是石墨烯片在电极旁边起伏。当薄片从凹面到凸面起伏时,交替地靠近和远离电极,这对电极就像一个可变电容器,产生交流电。

在他们的新电路设计中,该团队将该可变电容器与两个并联的相对二极管组合在一起。当电流沿每个方向流动时,这为电流创建了两条单独的路径。这样,其中一条路径可用于为存储电容器充电,该存储电容器随后可清空以执行工作,例如在点亮灯泡或为类似组件供电时(请参见视频)。

研究人员报告说,他们的双二极管系统可以提高功率:“我们还发现,二极管的开关式行为实际上会放大所传递的功率,而不是像以前认为的那样降低功率,”蒂巴多解释说。 “二极管提供的电阻变化率会给功率增加一个额外的因素。”

“共生”关系

但是,当布朗棘轮发生故障时,此设置如何工作?研究人员解释说,成功在于石墨烯和电路如何共享“共生”关系。即使该电路允许热环境在负载电阻上工作,该电路和石墨烯仍在相同的温度下工作,这意味着两者之间没有热量流动。

“这意味着没有违反热力学第二定律,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,” Thibado explained.

他指出,新设备的运行不是基于一个旧观念,即在这种电路中可以使用单个二极管来允许高能电子通过,同时阻挡低能电子。这个想法在1950年代被法国物理学家莱昂·布里渊(LéonBrillouin)取消,因为它会使二极管的一侧变热。这将导致粒子从冷流向热,这违反了热力学第二定律。

重新路由电流

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补充道。 “我们所做的是重新路由电路中的电流并将其转换为有用的东西。”

他补充说:“可以将基于石墨烯的能量收集电路集成到芯片中,以为小型设备或传感器提供干净,无限的低压电源。”

初步研究完成后,研究人员现在正在努力将能量收集电路产生的足够的DC电流存储在电容器中,以备后用–这个目标将需要使电路小型化并在硅晶片或芯片。蒂巴多说,如果证明有可能在一个平方毫米的芯片上将电路重复数百万次,“这可能是更换电池”。

该研究在杂志上有描述 体检E.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者