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2023-08-21 20:33:22
研究者らは、グラフェンを使用して周囲の熱からエネルギーを利用する方法を発見し、長年確立されてきた物理理論を覆しました。 この画期的な進歩は、特にワイヤレスセンサーにとって、有望な商業的可能性を秘めています。
この発見は、周囲の熱から抽出できる新しい形式のエネルギーを特定することにより、1世紀以上にわたる物理学の正統性を覆します。
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>グラフェン。
熱平衡にある系のランダムな変動から有用な仕事を得るのは長い間不可能だと考えられてきました。 実際、アメリカの著名な物理学者リチャード・ファインマンは、ブラウン運動、つまり原子の熱運動は有用な仕事を行うことができないと一連の講義で主張した後、1960年代にさらなる調査を事実上中止した。
しかし、雑誌に掲載された新しい研究で証明されたように、ファインマンは何か重要なことを見逃していた 物理的レビュー E タイトルは「ダイオードを使用した熱変動によるコンデンサの充電」です。
この論文の著者5人のうち3人はアーカンソー大学物理学科の出身である。 第一著者の Paul Thibado 氏によると、彼らの研究は、非線形抵抗と蓄積コンデンサを備えたダイオードを備えた回路に接続された自立グラフェンの熱変動が、蓄積コンデンサを充電することによって実際に有用な仕事を生み出すことを厳密に証明しました。
発見を裏付ける経験的証拠
科学者らは、蓄積コンデンサの初期電荷がゼロの場合、回路は熱環境から電力を取り出して充電することを発見しました。 次にチームは、システムが充電プロセス全体を通じて熱力学の第 1 法則と第 2 法則の両方を満たしていることを実証しました。 また、蓄積コンデンサが大きいほど蓄積電荷が多くなり、グラフェンの静電容量が小さいほど初期充電速度が速くなり、放電時間が長くなることがわかった。 これらの特性により、正味電荷が失われる前に蓄電コンデンサを環境発電回路から切り離す時間が可能になるため、重要です。
この最新の出版物は、グループの以前の 2 つの研究に基づいています。 最初は2016年に出版されました 自立型グラフェン膜の異常な動的挙動」 その研究で、ティバドと彼の共著者は、グラフェンの独特な振動特性とそのエネルギーハーベスティングの可能性を特定しました。 2番目は2020年に出版されました 物理的レビュー E 「」というタイトルの記事自立グラフェンからの変動誘起電流」では、小型デバイスやセンサーにクリーンで無制限の電力を供給できるグラフェンを使用した回路について説明しています。
この最新の研究は、地球の熱からエネルギーを収集し、後で使用するためにそれをコンデンサに保存できる回路の設計を数学的に確立することでさらに進歩しました。
「理論的には、これが私たちが証明しようとしていたことです」とティバド氏は説明した。 「エネルギー源には、運動エネルギー、太陽エネルギー、周囲放射線、音響勾配、温度勾配などがあります。 今では非線形火力発電もあります。 通常、火力発電には温度勾配が必要であると想像されます。 それはもちろん重要な実践的な力の源ですが、私たちが見つけたのは、これまでにない新たな力の源でした。 そして、この新しい電力は単一の温度で存在するため、2 つの異なる温度を必要としません。」
Thibado に加えて、共著者には Pradeep Kumar、John Neu、Surendra Singh、Luis Bonilla が含まれます。 クマールとシンはアーカンソー大学ノイ校の物理学教授でもあります。
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>カリフォルニア大学バークレー校、カルロス3世デ・マドリード大学のボニージャ。
10年にわたる調査
この研究は、ティバド氏が10年以上にわたって研究してきた問題の解決策を示すもので、彼とクマール氏は初めて自立型グラフェンの波紋の動的な動きを原子レベルで追跡した。 2004 年に発見されたグラフェンは、
” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>アトム-グラファイトの厚いシート。 二人は、自立型グラフェンが波状構造をしており、それぞれの波紋が周囲温度に応じて上下に反転することを観察しました。
「薄ければ薄いほど、柔軟性が増します」とティバド氏は言う。 「そして、原子 1 個の厚さで、これほど柔軟なものはありません。 トランポリンのようなもので、常に上下に動きます。 動きを止めたければ、20ケルビンまで冷却する必要があります。」
この技術の開発における彼の現在の取り組みは、彼がグラフェン エナジー ハーベスター (GEH) と呼ぶデバイスの構築に重点を置いています。 GEH は、2 つの金属電極の間に吊り下げられた負に帯電したグラフェンのシートを使用します。 グラフェンが跳ね上がると、上部電極に正の電荷が誘導されます。 反転すると、下部電極が正に帯電し、交流が発生します。 ダイオードが逆向きに配線され、電流が双方向に流れるようにすることで、回路内に個別の経路が提供され、負荷抵抗に作用するパルス状の DC 電流が生成されます。
商用アプリケーション
NTSイノベーションズは、ナノテクノロジーを専門とする企業であり、GEH を商品化するための独占的ライセンスを所有しています。 GEH 回路は非常に小さく、サイズがわずかナノメートルであるため、シリコン チップ上での大量複製に最適です。 複数の GEH 回路がアレイ状にチップ上に埋め込まれている場合、より多くの電力を生成できます。 また、多くの環境で動作できるため、地下パイプ システムや航空機内のケーブル ダクトなど、電池交換が不便または高価な場所のワイヤレス センサーにとって特に魅力的です。
NTS Innovations の創設者兼 CEO である Donald Meyer は、Thibado の最新の取り組みについて次のように述べています。 このテクノロジーを市場に投入するにあたってのアーカンソー大学とのパートナーシップに感謝します。」
NTS Innovations の販売およびマーケティング担当副社長である Ryan McCoy 氏は、次のように付け加えました。 私たちは、グラフェン・エナジー・ハーベスティングが両方に大きな影響を与えると信じています。」
最新の理論的ブレークスルーを実現するまでの長い道のりについて、ティバド氏は次のように述べています。「『グラフェン デバイスが本当に静かで、本当に暗い環境にある場合、エネルギーを収集できるのか、それとも収集できないのか』という疑問が常にありました。」 それに対する従来の答えは「ノー」です。明らかに物理法則に反しているからです。 しかし、物理学はこれまで注意深く検討されたことがありませんでした。 ファインマンのせいで、人々はこの話題を少し恐れていたと思います。 それで、誰もが「私はそれに触れません」と言いました。 しかし、その質問は私たちの注意を常に要求し続けました。 正直に言うと、その解決策は私たちのユニークなチームの忍耐力と多様なアプローチによってのみ見つけられました。」
参考資料: PM Thibado、JC Neu、Pradeep Kumar、Surendra Singh、LL Bonilla 著「ダイオードを使用した熱変動によるコンデンサの充電」、2023 年 8 月 16 日、 物理的レビュー E。
DOI: 10.1103/PhysRevE.108.024130
#非線形回路はグラフェンを使用してクリーンな電力を収集します
