과학자들은 그래핀의 잔물결에서 에너지를 수확합니다.

이반 헤수스 크루즈 Civieta/iStock

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열 평형 상태에서 시스템의 무작위 변동으로부터 유용한 에너지를 얻는 것은 오랜 과제였습니다.

시스템이 열 평형 상태에 있을 때 시스템의 입자는 열 에너지로 인해 끊임없이 움직입니다. 이 입자들은 무작위로 움직이며 서로 충돌하고 에너지를 교환하지만 전체적인 에너지 분포는 안정적으로 유지됩니다.

이 무질서한 움직임에서 에너지를 활용하는 과제는 이 고유한 에너지 무작위성을 제어되고 사용 가능한 결과로 전달하는 데 있습니다.

이제 아칸소 대학의 Paul Thibado가 이끄는 과학자 팀은 그래핀의 열 변동에서 에너지를 활용하는 방법을 발견했습니다. 연구팀은 원자 1개 두께의 흑연 시트인 자립형 그래핀에 고유한 회로를 연결하여 이를 달성했습니다.

팀이 이 주제를 연구하게 된 동기에 대해 Thibado는 보도 자료에서 "사람들이 파인만 때문에 그 주제를 조금 두려워한 것 같아요. 그래서 모두가 그냥 '난 건드리지 않겠다'라고 말했습니다. 하지만 질문은 계속되었습니다." 우리의 관심을 요구합니다."

연구의 여정은 1960년대 물리학자 리처드 파인만이 세운 가정에 의문을 제기하는 것에서 시작되었습니다.

파인만의 강의에서는 특히 시스템이 동일한 온도(열평형)에 있을 때 브라운 운동에서 유용한 작업을 추출하는 것이 불가능하다고 주장했습니다. 그러나 제1저자 Paul Thibado를 포함한 이번 연구 팀은 그동안 놓쳤던 중요한 사실을 발견했습니다.

그들의 현재 연구는 Thibado와 공동 저자인 Pradeep Kumar가 독립형 그래핀에 대해 흥미로운 점을 발견했을 때 팀의 10년 간의 조사를 기반으로 합니다. 그들은 그래핀 물질이 자연적으로 표면에 잔물결을 형성한다는 것을 관찰했습니다.

이 잔물결은 주변 온도의 변화에 ​​반응하여 위아래로 움직이는 작은 파도처럼 행동합니다.

Thibado와 그의 팀은 이러한 잔물결에서 에너지를 추출하는 독특한 회로를 설계했습니다. 회로는 접합부와 비선형 저항기와 반대 방향으로 연결된 두 개의 다이오드로 구성됩니다. 다이오드는 전류가 한 방향으로만 흐르도록 하는 전자 부품입니다.

다이오드를 사용하더라도 회로와 리플이 모두 열평형 상태에 있으면 유용한 에너지를 수집할 수 없다는 열역학 제2법칙의 조건을 극복하기 위해 회로 설계를 선택했습니다.

두 개의 다이오드가 있는 고유한 설정을 사용하여 팀은 프로세스 속도를 늦출 수 있음을 발견했습니다.

회로가 브라운 운동의 입자와 상호 작용함에 따라 일시적으로 평형을 깨고 다이오드와 저장 커패시터 충전 사이에 전류가 흐르게 됩니다. 이 전체 과정은 열역학의 제1법칙과 제2법칙을 준수하면서 발생합니다.

그래핀 특성의 잠재력을 실현하려는 Thibado의 노력은 이론적인 영역을 뛰어넘습니다. 그의 노력은 그래핀 에너지 수확기(GEH)로 알려진 실용적인 응용 프로그램을 구축하는 데 중점을 두고 있습니다.

이 기술은 그래핀의 고유한 유연성을 활용하여 환경에서 에너지를 포착하고 잠재적으로 지속 가능한 에너지 솔루션에 혁명을 일으킬 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다.

나노기술 중심 기업인 NTS Innovations는 이 기술을 상업적으로 개발할 수 있는 독점 라이선스를 보유하고 있습니다. 그래핀의 독특한 특성을 활용한 GEH는 실리콘 칩의 대량 생산 가능성을 보여줍니다.

이러한 소규모 GEH 회로는 특히 배터리 교체가 불편하거나 비용이 많이 드는 환경에서 무선 센서 및 장치에 혁명을 일으킬 수 있습니다.

Thibado의 연구에 대해 NTS Innovations의 CEO인 Donald Meyer는 보도 자료에서 "Paul의 연구는 우리가 Graphene Energy Harvesting을 통해 올바른 길을 가고 있다는 우리의 확신을 강화시켜 줍니다. 우리는 이 기술을 가져오는 University of Arkansas와의 파트너십에 감사드립니다. 시장에."