Les physiciens développent des circuits qui transforment le graphène en énergie propre et illimitée

Ces dernières années, les recherches en physique des matériaux ont mis en lumière les propriétés spectaculaires du graphène. De Filtration de l’eau à la détection électromagnétique Grâce à la médecine, ce matériau permet l’amélioration et l’optimisation de nombreuses technologies. Récemment, les chercheurs ont découvert une autre de ces propriétés étonnantes: sous forme monocouche, le graphène se déplace au niveau atomique et il est possible de convertir ce mouvement en énergie propre et pratiquement illimitée dans de petits circuits électroniques.

Une équipe de physiciens de l’Université de l’Arkansas (UA) a développé avec succès un circuit capable de capturer le mouvement thermodynamique du graphène et de le convertir en courant électrique. “” Un circuit de récupération d’énergie à base de graphène pourrait être intégré dans une puce pour fournir une alimentation basse tension propre, illimitée et à de petits appareils ou capteurs. »Explique Paul Thibado, professeur de physique.

Les résultats publiés dans la revue Examen physique E.sont la preuve d’une théorie développée il y a trois ans par des physiciens de l’UA selon laquelle les graphes autonomes – une seule couche d’atomes de carbone – sont recourbés et déformés de manière à pouvoir en “ extraire de l’énergie ”.

Deux diodes pour générer de l’énergie à partir du graphène

L’idée de tirer de l’énergie des graphiques est controversée car elle réfute l’affirmation bien connue du physicien Richard Feynman selon laquelle le mouvement thermique des atomes, connu sous le nom de mouvement brownien, ne peut pas fournir “ d’énergie ”. L’équipe de Thibado a découvert qu’à température ambiante, le mouvement thermique du graphène induit en fait un courant alternatif (AC) dans un circuit.

Circuit de génération d'énergie pour diodes de graphène

Schéma du circuit utilisé par les chercheurs. Les deux diodes offrent deux chemins différents pour générer un courant continu utilisable. Crédits: PM Thibado et al. 2021

Dans les années 1950, le physicien Léon Brillouin a publié un article historique réfutant l’idée que l’ajout d’une seule diode (une porte électrique unidirectionnelle) à un circuit était la solution pour récupérer l’énergie du mouvement brownien. Sachant cela, le groupe Thibado a construit son circuit à l’aide de deux diodes pour convertir le courant alternatif en courant continu. Lorsque les diodes sont opposées et que le courant peut circuler dans les deux sens, elles fournissent des chemins séparés à travers le circuit et créent un courant continu pulsé qui fonctionne sur une résistance de charge.

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Ils ont également constaté que leur système augmentait la quantité d’énergie fournie. “” Nous avons également constaté que le comportement marche-arrêt des diodes, comme un interrupteur, augmente en fait la puissance délivrée, plutôt que de la réduire comme on le croyait auparavant. Le taux de changement de résistance des diodes augmente encore les performances »Dit Thibado.

Un courant basse fréquence intéressant pour les technologies électroniques

L’équipe a profité d’un domaine relativement nouveau de la physique pour prouver que les diodes augmentent les performances des circuits. “” Pour prouver cette amélioration des performances, nous nous sommes inspirés du domaine émergent de la thermodynamique stochastique et avons développé la célèbre théorie de Nyquist, vieille de près d’un siècle. »Explique Pradeep Kumar. La théorie de Nyquist est une théorie d’échantillonnage qui régit la conception de circuits électroniques avec des signaux mixtes, en particulier dans le cas de la transformation AC / DC.

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Selon Kumar, le graphique et le cycle partagent une relation symbiotique. Bien que l’environnement thermique fonctionne sur la résistance de charge, le graphique et le circuit sont à la même température et aucun flux de chaleur entre les deux. Il s’agit d’une distinction importante, car une différence de température entre le graphique et le circuit dans un cycle de production d’énergie contredirait la deuxième loi de la thermodynamique sur l’entropie. Cela signifie donc que la deuxième loi de la thermodynamique n’est pas violée.

L’équipe a également constaté que le mouvement relativement lent des graphiques à basses fréquences induit un courant dans le circuit, ce qui est technologiquement important car l’électronique fonctionne plus efficacement aux basses fréquences. “” Les gens peuvent penser que le courant qui traverse une résistance la chauffe, mais pas le courant brownien. En fait, si aucun courant ne circulait, la résistance refroidirait. Nous avons détourné le courant à travers le circuit pour le transformer en quelque chose d’utile »Explique Thibado.

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Le prochain objectif de l’équipe est de déterminer si l’alimentation CC peut être stockée dans un condensateur pour une utilisation ultérieure. Cet objectif nécessite que le circuit soit miniaturisé et modelé sur une plaquette ou une puce de silicium. Si des millions de ces minuscules circuits pouvaient être construits sur une puce de 1 x 1 millimètre, ils pourraient servir d’alternative aux batteries de faible puissance.

Sources: Examen physique E.

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