Долгое время графен считался «нереальным» материалом. Несмотря на то, что некоторые теоретики предсказывали возможность отделения тончайшего слоя атомов углерода от графита еще с середины прошлого века, получить на практике двумерный материал смогли лишь в 2004 году. Это сделали физики из
Долгое время графен считался «нереальным» материалом. Несмотря на то, что некоторые теоретики предсказывали возможность отделения тончайшего слоя атомов углерода от графита еще с середины прошлого века, получить на практике двумерный материал смогли лишь в 2004 году. Это сделали физики из Манчестерского университета, которым за открытие была присуждена Нобелевская премия. Однако появилась другая проблема: двумерные материалы нарушают законы физики, которая предсказывает, что без специальной подложки они распадутся или расплавятся даже при температуре близкой к абсолютному нулю. Физики должны были найти лазейку, чтобы объяснить их существование.
Такой лазейкой оказалось явление, известное как броуновское движение – процесс, при котором наблюдаются небольшие случайные флуктуации (колебания) составляющих графен атомов углерода. Они заставляют материал пульсировать в трех измерениях, подобно волнам, движущимся по поверхности океана. Таким образом, движения, выходящие за границы плоской поверхности, позволили графену комфортно пребывать в рамках законов физики.
С тех пор, как Роберт Браун открыл «броуновское движение» в 1827 году, ученые не переставали задаваться вопросом, смогут ли они задействовать это явление в качестве источника энергии. Исследование Пола Тибадо, профессора физики из Университете Арканзаса, убедительно доказывает, что движение на поверхности графена действительно может быть использовано как источник чистой и безграничной энергии.
Чтобы изучить этот феномен, Тибадо и его аспиранты расположили слой графена на медной сетке, которая выполняла роль подмостка. Это позволило графену свободно перемещаться в местах, где он покрывал каждое маленькое отверстие в сетке. Затем они использовали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для наблюдения за движением.
Читайте также: Создана ткань для «умной» одежды, способная производить и хранить солнечную энергию
Проанализировав данные, ученые обнаружили два различных явления: небольшое броуновское движение и более крупные скоординированные движения. В случае с последними, колебания распространялись сверху вниз, подобно многократно изгибаемому листу металла. Эта модель уже известна в науке и носит название «Полеты Леви», однако в неорганической системе атомного масштаба была получена впервые. Результаты работы команды Тибадо были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Другие исследователи также предполагали, что инверсия кривизны в графене может быть использована в качестве источника энергии и даже предсказывали количество энергии, которое она может произвести. Но в отличие от них, открытие Тибадо показывает, что графен испытывает естественные колебания, при которых атомы вибрируют в ответ на температуру окружающей среды.
«Это ключ к использованию движений в 2D-материалах в качестве источника утилизируемой энергии, — сказал Тибадо. — Это означает, что их энергия может быть собрана с применением существующих нанотехнологий».
В итоге ученые создали устройство, которое может превратить эту энергию в электричество, с потенциалом применения во многих областях науки и техники. Сейчас Тибадо патентует свое изобретение – сборщик вибрационной энергии, получивший название Vibration Energy Harvester (VEH).
Этот девайс состоит из отрицательно заряженного листа графена, размещенного между двумя металлическими электродами. Когда графен изгибается волной в одном направлении, он вызывает положительный заряд в верхнем электроде, а когда в другом – он заряжает нижний электрод, создавая переменный ток.
Графеновые элементы в лаборатории Тибадо имеют около десяти микрон в поперечнике, они настолько крошечные, что на булавочной головке их может поместиться более 20000 штук. Каждая пульсация графена, затрагивает участок 10х10 нанометров и может выдать лишь 10 пиковатт мощности. В результате одна микромембрана могла бы выработать достаточно энергии для питания наручных часов, которые никогда не нуждались бы в подзарядке.
Для создания миниатюрных электрических генераторов ученые намерены экспериментировать, помимо графена, и с другими двумерными материалами. Они выяснили, что VEH работает эффективнее, если активный материал не является проводником.
По мнению исследователей, такие устройства позволят любому объекту отправлять, получать, обрабатывать и хранить информацию, затрачивая на это только лишь энергию тепла в помещении. Это значительно расширит возможности цифрового мира и Интернета Вещей. Самозаряжающийся микроскопический источник энергии также поможет создавать более сложные биомедицинские устройства, такие как темперы, слуховые аппараты и носимые датчики.
Читайте также: Ученые создали биологический суперконденсатор, получающий энергию из организма человека
Источник: researchfrontiers.uark.edu
{full-story limit=»10000″}
Источник:
