新發明從石墨烯獲得無盡潔淨能源

研究者找到一種駕馭石墨烯內原子的運動產生電流的技術，將來可以集成在晶片上成為電子設備的替代電池。

研究負責人阿肯色大學（University of Arkansas）物理學教授蒂巴多（Paul Thibado）說：「基於石墨烯的發電電路可以集成到晶片上，為小型設備或感應器提供潔淨、無限的低壓電源。」

阿肯色大學的物理學家三年前提出的理論稱，可以從單層碳原子組成的石墨烯內部原子特定的運動方式收穫能源。這與已故物理學家費曼（Richard Feynman）的說法矛盾。費曼稱，原子的無規則熱運動，也稱為布朗運動，無法做有用功。

可是蒂巴多的研究組發現，在室溫下，石墨烯內部的熱運動可以產生交流電。

科學家曾提出，向電路增加一個二極體做為單向電子門，就可以從布朗運動中獲取能量，但是上世紀50年代物理學家布里淵（Léon Brillouin）發表的一項研究認為不可行。

於是，蒂巴多的研究組在電路中用了兩個二極體，朝向相反的方向，讓電流向兩個方向流動，即在電路中為電流提供兩個分開的通道，將交流電變為直流電，使電流在負載電阻上做功。

不僅如此，他們發現這樣的設計增加了所產生的電能。「我們發現二極體類似開關的作用，實際上起到了放大電流的效果，而不是像以前認為的會減小（電能）。」

合作研究者庫瑪（Pradeep Kumar）說，石墨烯和電路是共生的關係。雖然熱環境在電阻上做功，但是石墨烯和電路的溫度是一樣的，兩者之間沒有熱量的傳遞。

蒂巴多說，這是一個重要的特性。因為石墨烯和發電電路之間的溫差，與熱力學第二定律矛盾。熱力學第二定律說，孤立系統自發地朝著熱力學平衡的方向演化，或者說熱量不能自發地從低溫物體轉移到高溫物體。

「人們可能以為，電流將導致電阻升溫，但是布朗運動下不會。實際上，如果沒有電流的流動，電阻將會降溫。」蒂巴多說：「我們所做的就是在電路中將電流改道，讓它實現有用的效果。」

另外，研究組發現石墨烯內粒子相對較慢的運動，使得產生的電流頻率很低。研究人員表示這是重要的優勢，因為電子設備在低頻電壓下工作更有效。

研究組的下一個目標是考察怎樣將直流電存儲起來。為了實現這個目標，要把電路造得儘量小，把它們集成在矽晶片上。如果在一個1毫米X1毫米見方的晶片上可以集成幾百萬個這樣的電路，這個晶片就能為做為低壓電池使用。

這份研究近期發表在《物理評論E刊》（Physical Review E）上。◇

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