Fizicienii au găsit în grafen o posibilitate de a obţine energie curată nelimitată

Grafenul este un material aparent imposibil.

De ani de zile, oamenii de ştiinţă susțineau că delimitarea unui singur strat de atomi de carbon dintr-o bucată de grafit ar putea produce primul material bidimensional, pe care ei l-au denumit grafen.

În cele din urmă, în 2004 (en), acest lucru a fost realizat de doi fizicieni de la Universitatea din Manchester, care pentru această descoperire au primit Premiul Nobel pentru Fizică.

Cu toate acestea, aici există o problemă: materialele bidimensionale  încalcă legile fizicii.

Fără sprijinul unui substrat, fizica prezice că el se va rupe în bucăţi sau se va topi, chiar şi la o temperatură de zero absolut.

Fizicienii trebuiau să găsească o breșă pentru a explica exisenţa acestui material.

Această breşă sa dovedit a fi legată de un fenomen cunoscut sub numele de mişcare browniană, mici fluctuații ale atomilor de carbon care alcătuiesc grafenul.

Acest lucru face ca materialul să se onduleze în a treia dimensiune, similar ca valurile ce se deplasează pe suprafața oceanului.

Aceste mişcări în interior şi exterior pe suprafaţa plană, permit grafenului confortabil să se integreze cu legile fizicii.

Din momentul în care Robert Brown a descoperit mişcarea browniană în 1827, oamenii de ştiinţă s-au întrebat dacă pot valorifica această mişcare în sursă de energie.

Cercetările lui Paul Thibado, profesor de fizică la Universitatea din Arkansas, oferă dovezi clare că mișcarea grafenului ar putea fi într-adevăr utilizată ca o sursă de energie curată nelimitată.

Vedeţi şi: Energie curată şi nelimitată, Germania a pornit maşina care poate revoluţiona modul în care folosim energia

Reducerea Focalizării

Pentru a studia mişcarea grafenului, Thibado şi studenţii lui absolvenţi au plasat straturi de material de-a lungul unei grile de cupru care acţiona ca o schelă.

Acest lucru a permis grafenului să se mişte liber prin locurile unde el acoperise fiecare gaură mică din grilă.

Apoi ei au folosit un microscop de scanare tunel (en), sau prescurtat STM, pentru observa mişcările.

STM crează imagini cu rezoluţie atomică prin a scana suprafaţa materialului cu un vârf microscopic ultra-ascuţit.

Folosind STM, echipa lui Thibado a adunat o mulţime de informaţii despre mişcările grafenului liber nesuspendat, dar au întâmpinat dificultăţi în înțelegerea lui.

De la un set de date la altul, rezultatele nu au putut fi reproduse.

„Studenţii aveau senzaţia că nu vom învăța nimic util”, a explicat Thibado, „dar eu m-am întrebat, dacă nu ne-am propus o problemă prea simplă”.

Thibado a propus studenţilor să privească măsurătorile într-um mod diferit.

„Noi am separat fiecare imagine în sub-imagini”, a spus el (en).

„Examinarea medie pe scară largă a ascuns diferite modele. Fiecare regiune a unei singure imagini, vizualizată de-a lungul timpului, a produs un model mai semnificativ”.

Cu cât cercetătorii reduceau mai tarea focalizarea, cu atât mai clare deveneau modelele, aşa că ei au micșorat-o şi mai tare, reducând zona scanată de microscop până la momentul când ei au fost capabili să vadă o singură oscilație (val) la un moment dat.

În cele din urmă, ei au încercat ceva nou: oprind scanarea ei luau măsurătorile doar a unui singur loc, „precum ai privi o baliză care se mişcă în sus şi în jos în ocean”, a explicat Thibado (en).

Aceasta a fost o utilizare nouă a STM-ului şi a marcat punctul de cotitură în cercetarea lor.

Atunci când echipa a analizat datele „metodei detailate”, ei au putut observa două trăsături distincte: mici mişcări browniene şi mișcări mai mari, coordonate.

În aceste mişcări mari se încovoia întreaga undă, lovindu-se în sus şi în jos ca o bucată de metal subţire ce se îndoia în mod repetat.

Modelul, mişcărilor întâmplătoare mici combinate cu mişcările bruşte mai mari, este cunoscut sub numele de zboruri Lévy (en).

Acest fenomen poate fi observat într-o varietate de contexte, cum ar fi semnalele biomedicale, dinamica climei şi chiar în mișcarea mulțimilor în Disney World.

Thibado este primul care a observat că aceste zboruri au loc spontan într-un sistem anorganic la scară atomică.

Echipa sa a publicat aceste rezultate în revista Physical Review Letters.

Un progres energetic

Alţi cercetători presupun că inversarea curburii indusă de temperatură în grafen, ar putea fi folosită ca sursă de energie şi chiar au prezis cantitatea de energie pe care ar putea să o producă.

Ceea ce face lucrarea lui Thibado deosebită, este descoperirea lui că grafenul are ondulații naturale ce inversează curbura lor, când atomii vibrează ca răspuns la temperatura ambiantă.

„Aceasta este cheia utilizării mişcării materialelor 2D ca sursă de energie exploatabilă”, a spus Thibado (en).

Spre deosebire de atomii dintr-un lichid care se mişcă într-o direcţie întâmplătoare, atomii conectaţi într-un strat de grafen se mişcă împreună.

Vedeţi şi: Curgerea electronilor ca apa prin grafen lansează un nou val în fizică

Aceasta înseamnă că energia lor poate fi colectată folosind nanotehnologia existentă.

Thibado a făcut primii paşi spre crearea unui dispozitiv care ar putea transforma această energie în energie electrică, cu potenţialul pentru mai multe aplicaţii.

El recent a depus un brevet pentru această invenţie, denumit Vibration Energy Harvester, sau VEH.

Un astfel de dispozitiv ar implica un strat de grafen încărcat negativ suspendat între doi electrozi metalici.

Atunci când grafenul se loveşte de partea de sus, el provoacă o sarcină pozitivă în electrodul superior, iar când se loveşte jos, îl încarcă pe acesta din urmă, creând astfel un curent alternativ.

Bucăţile de grafen din laboratorul lui Thibado măsoară în jur de 10 microni în lăţime, atât de micuţe, încât 20 000 din ele ar putea încăpea pe un vârf de ac.

Fiecare zbor Levy provocat de o singură ondulaţie, măsoară doar 10 nanometri pe 10 nanometri, dar poate produce 10 picowaţi de putere.

Ca rezultat, fiecare dintre aceste membrane microscopice ar putea produce suficientă energie pentru a alimenta un ceas de mână şi ele nu se vor uza şi descărca niciodată.

Thibado prezice că generatoarele sale ar putea transforma mediul înconjurător, permiţând fiecărui obiect să trimită, să primească, să proceseze şi să stocheze informaţii, alimentândul doar de la temperatura camerei.

Acest lucru va avea implicații semnificative pentru efortul de a conecta obiectele fizice din lumea digitală, ce este cunoscut sub numele de Internetul Lucrurilor (Internet of Things).

Acestă sursă de energie microscopică regenerabilă ar putea transforma obiectele de uz zilnic în dispozitive inteligente, precum şi să alimenteze dispozitivele biomedicale mai sofisticate, cum ar fi stimulatoarele cardiace, aparatele auditive şi senzorii purtabili.