Il team di fisici dell’Università dell’Arkansas ha sviluppato con successo un circuito in grado di catturare il movimento termico del grafene e di convertirlo in corrente elettrica. Paul Thibado, professore di fisica e ricercatore principale della scoperta, ha detto:
«Un circuito di raccolta dell’energia basato sul grafene potrebbe essere incorporato in un chip per fornire energia pulita, senza limiti e a bassa tensione per piccoli dispositivi o sensori».
I risultati riportati nello studio “Fluttuazione indotta dalla corrente da grafene indipendente”, pubblicato nella rivista Physical Review E, sono la prova di una teoria che i fisici hanno sviluppato all’Università dell’Arkansas tre anni fa che il grafene indipendente – un singolo strato di atomi di carbonio – increspa e si deforma in un modo che mantiene la promessa per la raccolta di energia.
L’idea di raccogliere energia dal grafene è controversa perché confuta la ben nota affermazione del fisico Richard Feynman secondo cui il moto termico degli atomi, noto come Moto browniano, non può funzionare. Il team di Paul Thibado ha scoperto che a temperatura ambiente il moto termico del grafene induce una corrente alternata in un circuito, un risultato ritenuto impossibile.
Il fisico Léon Brillouin negli anni ’50 pubblicò un documento storico che confutava l’idea che l’aggiunta di un singolo diodo, un cancello elettrico unidirezionale, ad un circuito è la soluzione per raccogliere energia dal Moto browniano. Il team di Paul Thibado conoscendo questo concetto, ha costruito il proprio circuito con due diodi per convertire la corrente alternata in corrente continua. I diodi in opposizione permettono alla corrente di fluire in entrambi i modi, forniscono percorsi separati attraverso il circuito, producendo una corrente continua a impulsi che esegue il lavoro su una resistenza di carico. Inoltre, hanno scoperto che il loro progetto ha aumentato la quantità di potenza erogata. Paul Thibado ha detto:
«Abbiamo anche scoperto che il comportamento on-off è simile a quello dei diodi, effettivamente amplifica la potenza erogata, piuttosto che ridurla, come pensavo in precedenza. Il tasso di variazione della resistenza fornito dai diodi aggiunge un fattore in più alla potenza».
Il team di ricercatori ha usato un campo della fisica relativamente nuovo per dimostrare che i diodi hanno aumentato la potenza del circuito. Pradeep Kumar, professore associato di fisica e coautore, ha detto:
«Nel dimostrare questo aumento di potenza, abbiamo attinto dal campo emergente della termodinamica stocastica e abbiamo esteso la quasi secolare e celebrato Teorema del campionamento di Nyquist-Shannon. Il grafene e il circuito condividono un rapporto simbiotico, anche se l’ambiente termico sta lavorando sulla resistenza di carico, il grafene e il circuito sono alla stessa temperatura e il calore non fluisce tra i due».
Paul Thibado ha detto:
«Questa è una distinzione importante perché una differenza di temperatura tra il grafene e il circuito, in un circuito che produce potenza, sarebbe in contraddizione con la seconda legge della termodinamica. Ciò significa che la seconda legge della termodinamica non è violata, né c’è bisogno di sostenere che il “Diavoletto di Maxwell ” sta separando gli elettroni caldi da quelli freddi».
Il team di ricercatori ha anche scoperto che il movimento relativamente lento del grafene induce corrente nel circuito a basse frequenze, ciò è importante dal punto di vista tecnologico perché l’elettronica funziona in modo più efficiente a frequenze più basse.
Paul Thibado ha spiegato:
«La gente può pensare che la corrente che scorre in una resistenza provochi il suo riscaldamento, ma la corrente del moto browniano non lo fa. Infatti, se non ci fosse corrente, la resistenza si raffredderebbe. Ciò che abbiamo fatto è stato reindirizzare la corrente nel circuito e trasformarla in qualcosa di utile».
Il prossimo obiettivo del team è quello di determinare se la corrente continua può essere memorizzata in un condensatore per un uso successivo, un obiettivo che richiede la miniaturizzazione del circuito e modellarlo su un chip. Poter costruire milioni di questi piccoli circuiti su un chip da 1 millimetro per 1 millimetro, potrebbe servire come sostituzione di batterie a basso consumo.