左起：博士生Ferdinand Harerimana和Paul Thibado教授在他的实验室里。大学关系部摄
从热平衡系统的随机波动中获得有用功长期以来被认为是不可能的。事实上，20 世纪 60 年代著名的美国物理学家理查德·费曼 (Richard Feynman) 在一系列讲座中指出布朗运动（即原子的热运动）无法做有用的功，从而有效地阻止了进一步的研究。
现在，发表在《Physical Review E》上的一项题为“Charging capacitors from thermal fluctuations using diodes” 的新研究 证明，费曼错过了一些重要的事情。
该论文的五位作者中有三位来自阿肯色大学物理系。根据第一作者Paul Thibado的说法，他们的研究严格证明，当独立式石墨烯连接到具有非线性电阻和存储电容器的二极管的电路时，独立式石墨烯的热波动确实会通过对存储电容器充电来产生有用的功。（参见电路动画。）
作者发现，当存储电容器的初始电荷为零时，电路会从热环境中汲取电力来为其充电。研究小组随后表明，该系统在整个充电过程中满足热力学第一定律和第二定律。他们还发现，较大的存储电容器会产生更多的存储电荷，而较小的石墨烯电容可提供更高的初始充电速率和更长的放电时间。这些特性很重要，因为它们允许在净电荷丢失之前有时间将存储电容器与能量收集电路断开。
这份最新出版物建立在该小组之前的两项研究的基础上。第一篇发表在 2016 年 《Physical Review Letters》 上题为“Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes.”的文章中。在这项研究中，蒂巴多和他的合著者发现了石墨烯独特的振动特性及其能量收集的潜力。第二篇文章发表在 2020 年《Physical Review E》 上，题为“Fluctuation-induced current from freestanding graphene”，其中他们讨论了一种使用石墨烯的电路，该电路可以为小型设备或传感器提供清洁、无限的电力。
这项最新研究取得了进一步进展，通过数学方法建立了一种电路设计，能够从地球的热量中收集能量并将其存储在电容器中以供以后使用。
“理论上，这就是我们想要证明的，”蒂巴多解释道。“有一些众所周知的能源，例如动能、太阳能、环境辐射、声学和热梯度。现在还有非线性热功率。通常，人们认为火力发电需要温度梯度。这当然是实际权力的重要来源，但我们发现的是一种以前从未存在过的新权力来源。这种新能量不需要两种不同的温度，因为它存在于单一温度下。”
除蒂巴多外，合著者还包括普拉迪普·库马尔、约翰·诺伊、苏伦德拉·辛格和路易斯·博尼拉。库马尔和辛格也是阿肯色大学的物理学教授，诺伊是加州大学伯克利分校的物理学教授，博尼拉是马德里卡洛斯三世大学的物理学教授。
十年的探索
这项研究代表了蒂巴多十多年来一直在研究的问题的解决方案，当时他和库马尔首次在原子水平上追踪了独立式石墨烯波纹的动态运动。石墨烯于 2004 年被发现，是一种单原子厚度的石墨片。两人观察到独立式石墨烯具有波纹结构，每个波纹都会根据环境温度上下翻转。
“东西越薄，就越灵活，”蒂巴多说。“而且只有一个原子厚，没有什么比它更灵活的了。它就像一个蹦床，不断地上下移动。如果你想阻止它移动，你必须将其冷却到 20 开尔文。”
他目前在开发这项技术方面的努力主要集中在构建一种他称之为石墨烯能量采集器（GEH）的设备。GEH使用悬浮在两个金属电极之间的带负电的石墨烯片。当石墨烯翻转时，它会在顶部电极中感应出正电荷。当它向下翻转时，它会给底部电极充电，产生交流电。通过反向连接的二极管，允许电流双向流动，在电路中提供单独的路径，产生对负载电阻器进行工作的脉冲直流电流。
商业应用
NTS Innovations是一家专门从事纳米技术的公司，拥有将GEH开发成商业产品的独家许可。由于GEH电路非常小，尺寸仅为纳米，因此非常适合在硅芯片上进行大规模复制。当多个GEH电路以阵列形式嵌入芯片上时，可以产生更多的功率。它们还可以在许多环境中运行，这使得它们对于更换电池不方便或昂贵的地方（例如地下管道系统或飞机内部电缆管道）的无线传感器特别有吸引力。
NTS Innovations创始人兼首席执行官Donald Meyer在谈到Thibado的最新努力时表示：“Paul的研究增强了我们的信念，即我们正走在石墨烯能量收集的正确道路上。我们感谢与阿肯色大学的合作，将这项技术推向市场。”
NTS Innovations销售和营销副总裁Ryan McCoy补充道：“电子行业对缩小外形尺寸并减少对电池和有线电源的依赖有着广泛的需求。我们相信石墨烯能量收集将对两者产生深远的影响。”
在谈到取得最新理论突破的漫长道路时，蒂巴多说：“总是存在这样一个问题：‘如果我们的石墨烯设备处于非常安静、非常黑暗的环境中，它是否会收获任何能量？’ 传统的答案是否定的，因为它显然违反了物理定律。但物理学从未被仔细研究过。我认为由于费曼，人们有点害怕这个话题。所以，每个人都说，“我不会碰那个。” 但这个问题一直在引起我们的注意。老实说，只有通过我们独特团队的坚持不懈和多样化的方法才能找到解决方案。”
关于阿肯色大学： 作为阿肯色州的旗舰院校，阿尔肯色大学提供 200 多个学术课程，提供具有国际竞争力的教育。阿尔伯塔大学成立于1871年， 通过教授新知识和技能、创业和就业发展、通过研究和创造性活动进行发现，同时还提供专业学科培训，为阿肯色州经济贡献了超过22亿美元。卡内基基金会将阿尔伯塔大学列为美国少数几所研究活动水平最高的学院和大学之一。 《美国新闻与世界报道》 将阿尔伯塔大学列为全美顶尖公立大学之一。来阿肯色州研究和经济发展新闻了解阿尔伯塔大学是如何努力建设更美好的世界的。
联系
Paul Thibado, professor of physics
Fulbright College of Arts and Sciences
479-575-7932, thibado@uark.edu
Hardin Young, assistant director of research communications
University Relations
479-575-6850, hyoung@uark.edu
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