نجح علماء الفيزياء من جامعة أركنساس في بناء دارة يمكنها التقاط الحركة الحرارية للجرافين وتحويلها إلى تيار كهربائي.
نتائج الدراسة، التي ذكرت في مجلة “ Physical Review” الإلكترونية، هي دليل على نظرية صاغها الفيزيائيون في جامعة أركنساس قبل ثلاث سنوات بأن الشكل الحر للجرافين – طبقة واحدة من ذرات الكربون – تتموج وتلتوي بطريقة يمكن أن تظهر إمكانية لحصاد الطاقة.
مفهوم حصاد الطاقة من الجرافين قابل للنقاش لأنه يدحض توضيح الفيزيائي ريتشارد فاينمان الشهير بأن الحركة الحرارية للذرات- والتي تسمى الحركة البراونية، لا تنتج أي عمل (W). اكتشف فريق ثيبادو أن الحركة الحرارية للجرافين في درجة الحرارة المحيطة تحفز في الواقع تيارًا متناوبًا (AC) في دارة، وهو إنجاز يعتقد أنه مستحيل.
نشر الفيزيائي ليون برويون في خمسينيات القرن الماضي بحثًا كان بمثابة ثورة مضادة لفكرة أن وضع ديود واحد (Diode) في الدارة – وهو بوابة كهربائية تسمح بمرور التيار باتجاه واحد – هو المفتاح لحصاد الطاقة من الحركة البراونية. وانطلاقًا من ذلك، صمم فريق ثيبادو دارتهم عن طريق ديودين اثنين لتحويل التيار المتناوب )AC( إلى تيار مستمر (DC).
تقوم الديودات بتوفير مسارات مستقلة عبر الدارة عن طريق منع التيار الكهربائي المتناوب (AC) من المرور إلا في اتجاه واحد، وبالتالي توليد تيار مستمر )DC( والذي بدوره ينفذ العمل المطلوب على مقاوم الحمل. كما أنهم اكتشفوا أن تصميمهم عزز كمية الطاقة الموردة.
استخدم الباحثون مجالًا جديدًا نسبيًا للفيزياء لإثبات أن الديودات عززت قوة الدائرة. قال براديب كومار، الأستاذ المساعد في الفيزياء والمؤلف المشارك: “لإثبات هذا التعزيز في الطاقة، استعنا بالحقل الناشئ من الديناميكا الحرارية العشوائية ووسعنا نظرية نايكويست الشهيرة والتي عمرها ما يقرب القرن من الزمان“.
وذكر كومار أن الدارة والجرافين يشتركان في اتصال تكافلي. على الرغم من أن البيئة الحرارية تطبق عملاً على مقاوم الحمل، إلا أن الدارة والجرافين يبقيان على نفس درجة الحرارة، حيث أن الحرارة لا تنتقل بين الاثنين.
وفقا لثيبادو، يعد هذا فرقاً حاسماُ، لأن الفرق في درجة الحرارة بين الجرافين والدارة — في الدارة التي تولد الطاقة – من شأنه أن يعارض القانون الثاني للديناميكا الحرارية. علاوة على ذلك، وجد الباحثون أن الحركة البطيئة نسبياً للجرافين يحفز التيار في الدائرة في ترددات منخفضة، وهو أمر مهم من وجهة نظر تكنولوجية لأن الإلكترونيات تعمل بشكل أفضل بكثير في الترددات المنخفضة. “قد يعتقد الناس أن التيار المتدفق في مقاومة ما يسبب الارتفاع في درجة حرارتها، ولكن التيار البراوني لا يقوم بذلك. في الواقع ، إذا لم يكن هناك تيار يتدفق، فإن المقاومة ستبرد” كما أوضح ثيبادو. “ما فعلناه هو إعادة توجيه التيار في الدارة وتحويله إلى شيء مفيد.”
الخطوة التالية للفريق هي تحديد ما إذا كان يمكن التقاط التيار المستمر )DC( في مكثف للاستخدام في وقت لاحق – وهو الهدف الذي يتطلب تصغير الدارة ونقشها على رقاقة السيليكون أو شريحة. إذا كان يمكن بناء الملايين من هذه الدارات المصغرة على شريحة 1 مم × 1 مم ، فإنها يمكن أن تكون بمثابة بديل بطارية منخفضة الطاقة.
جامعة أركنساس لديها العديد من براءات الاختراع المعلقة في الأسواق الأميركية والعالمية على التكنولوجيا، وقد رخصت لها للتطبيقات التجارية عن طريق وحدة مشاريع التكنولوجيا الخاصة بها.
ومن المساهمين الآخرين في هذا البحث العلماء سوريندرا سينغ، أستاذ في الفيزياء؛ وهيو تشرشل، أستاذ مساعد في الفيزياء؛ وجيف ديكس، أستاذ مساعد في الهندسة. وقد حظيت هذه الدراسة بدعم مالي من صندوق المستشار للتسويق الذي ترعاه مؤسسة والتون للدعم الخيري للأسرة.