Paul Thibado, giáo sư vật lý, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Một mạch thu năng lượng dựa trên graphene có thể được tích hợp vào một con chip, cung cấp nguồn điện áp thấp, sạch, không giới hạn thời gian cho những thiết bị hoặc cảm biến nhỏ.

Những kết quả nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Physical Review E, là minh chứng cho một lý thuyết mà các nhà vật lý phát triển tại trường đại học Arkansas cách đây ba năm, cho rằng graphene tự do - lớp nguyên tử cacbon 2D - gợn sóng và biến động theo cách mà từ đó có thể thu được năng lượng điện.

Mảng cấu trúc 2D graphene 

Ý tưởng thu năng lượng từ graphene gây tranh cãi do bác bỏ khẳng định nổi tiếng của nhà vật lý Richard Feynman rằng, chuyển động nhiệt của nguyên tử, được gọi là chuyển động Brown, không thể tạo ra động năng.

Nhóm nghiên cứu Thibado phát hiện rằng, ở nhiệt độ phòng, chuyển động nhiệt của graphene thực tế tạo ra dòng điện xoay chiều (AC) trong mạch, một kết quả khoa học từng được cho là điều không thể.

Những năm 1950, nhà vật lý Léon Brillouin công bố một bài báo khoa học có tính bước ngoặt, bác bỏ ý kiến cho rằng thêm một điốt đơn - cổng điện một chiều - vào mạch điện là có thể thu năng lượng từ chuyển động Brown.

Từ nhận thức này, nhóm nghiên cứu Thibado chế tạo mạch điện với hai điốt nhằm biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều (DC).

Sử dụng các điốt đối lập, cho phép dòng điện chạy theo cả hai chiều theo các đường dẫn riêng biệt qua mạch, các nhà khoa học tạo ra dòng xung điện một chiều thành công năng trên điện trở tải.

Cấu trúc của mạng điện sử dụng chuyển động Brown của graphene.

Ngoài ra, các nhà khoa học nhận ra rằng, thiết kế mạch điện theo cách này làm tăng sản lượng điện. Thibado cho biết: “Chúng tôi phát hiện được hành vi đóng-mở, tương tự như công tắc của các đi-ốt khuếch đại công suất điện thu được, thay vì làm giảm sản lượng như đã nghĩ trước đây. "Tỷ lệ thay đổi điện trở từ các điốt tăng thêm hệ số cho công suất điện năng đầu ra."

Để có được kết quả này, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một lĩnh vực vật lý tương đối mới, chứng minh điốt làm tăng công suất của mạch. Đồng tác giả nghiên cứu, phó giáo sư vật lý Pradeep Kumar cho biết: “Khả năng tăng cường công suất này, chúng tôi thu được từ lĩnh vực mới xuất hiện nhiệt động lực học ngẫu nhiên, phần mở rộng lý của thuyết Nyquist, nổi tiếng gần thế kỷ nay” đồng tác giả Pradeep Kumar, phó giáo sư vật lý và đồng tác giả cho biết.

Theo Kumar, graphene và mạch chia sẻ mối quan hệ cộng sinh. Mặc dù môi trường nhiệt thực hiện công năng trên điện trở tải, graphene và mạch ở cùng nhiệt độ và nhiệt không truyền giữa hai bộ phận này.

Nhóm nghiên cứu phát hiện được, chuyển động tương đối chậm của graphene tạo ra dòng điện trong mạch có tần số thấp, phát hiện này có ý nghĩa rất quan trọng theo quan điểm công nghệ do điện tử hoạt động hiệu quả hơn ở tần số thấp.

"Hầu hết đều nghĩ rằng, dòng điện chạy qua điện trở tạo ra nhiệt năng, nhưng dòng điện Brown thì không tạo ra nhiệt. Trên thực tế, nếu không có dòng điện chạy qua, điện trở sẽ nguội đi ", Thibado giải thích." Những gì chúng tôi làm là định tuyến lại dòng điện trong mạch và biến dòng điện Brown thành có ích ".

Mục tiêu tiếp theo của nhóm là xác định xem dòng điện một chiều có thể được lưu trữ trong tụ điện để sử dụng sau này hay không và thu nhỏ mạch để có thể in trên trên miếng silicon hoặc chip.

Nếu hàng triệu vi mạch nhỏ này có thể được thiết kế trên chip có kích thước 1 mm x 1 mm, những tấm pin này có thể đóng vai trò thay thế pin năng lượng thấp.

Tham gia vào nghiên cứu này có Surendra Singh, giáo sư vật lý Hugh Churchill, phó giáo sư vật lý; Jeff Dix, phó giáo sư kỹ thuật. Nghiên cứu được tài trợ từ Quỹ Thương mại hóa của Chancellor do Quỹ Hỗ trợ Từ thiện Gia đình Walton ủng hộ.