A obtenção de trabalho útil a partir de flutuações aleatórias em um sistema em equilíbrio térmico tem sido considerada impossível há muito tempo. De facto, na década de 1960, o eminente físico americano Richard Feynman encerrou efectivamente novas investigações depois de ter argumentado numa série de palestras que o movimento browniano, ou o movimento térmico dos átomos, não pode realizar trabalho útil.



Agora, um novo estudo publicado na Physical Review E intitulado "Carregar capacitores a partir de flutuações térmicas usando diodos" provou que Feynman perdeu algo importante.

Três dos cinco autores do artigo são do Departamento de Física da Universidade de Arkansas. De acordo com o primeiro autor Paul Thibado, seu estudo prova rigorosamente que as flutuações térmicas do grafeno independente, quando conectado a um circuito com diodos com resistência não linear e capacitores de armazenamento, produzem um trabalho útil ao carregar os capacitores de armazenamento.

Os autores descobriram que quando os capacitores de armazenamento têm carga inicial zero, o circuito retira energia do ambiente térmico para carregá-los.

A equipe mostrou então que o sistema satisfaz a primeira e a segunda leis da termodinâmica durante todo o processo de carregamento. Eles também descobriram que capacitores de armazenamento maiores produzem mais carga armazenada e que uma capacitância de grafeno menor fornece uma taxa inicial de carga mais alta e um tempo de descarga mais longo. Estas características são importantes porque permitem tempo para desconectar os capacitores de armazenamento do circuito de coleta de energia antes que a carga líquida seja perdida.

Esta última publicação baseia-se em dois estudos anteriores do grupo. O primeiro foi publicado em uma Physical Review Letters de 2016. . Nesse estudo, Thibado e seus coautores identificaram as propriedades vibracionais únicas do grafeno e seu potencial para captação de energia.

O segundo foi publicado em uma Physical Review E de 2020. artigo no qual discutem um circuito usando grafeno que pode fornecer energia limpa e ilimitada para pequenos dispositivos ou sensores.

Este último estudo avança ainda mais ao estabelecer matematicamente o projeto de um circuito capaz de captar energia do calor da terra e armazená-la em capacitores para uso posterior.

“Teoricamente, era isso que pretendíamos provar”, explicou Thibado. "Existem fontes de energia bem conhecidas, como cinética, solar, radiação ambiente, gradientes acústicos e térmicos. Agora também existe a energia térmica não linear. Normalmente, as pessoas imaginam que a energia térmica requer um gradiente de temperatura. Isto é, é claro , uma importante fonte de energia prática, mas o que descobrimos é uma nova fonte de energia que nunca existiu antes. E esta nova energia não requer duas temperaturas diferentes porque existe a uma única temperatura."

Além de Thibado, os coautores incluem Pradeep Kumar, John Neu, Surendra Singh e Luis Bonilla. Kumar e Singh também são professores de física na Universidade de Arkansas, Neu na Universidade da Califórnia, Berkeley e Bonilla na Universidade Carlos III de Madrid.

Uma década de investigação

O estudo representa a solução para um problema que Thibado vem estudando há mais de uma década, quando ele e Kumar rastrearam pela primeira vez o movimento dinâmico das ondulações no grafeno independente em nível atômico. Descoberto em 2004, o grafeno é uma folha de grafite com a espessura de um átomo. A dupla observou que o grafeno independente tem uma estrutura ondulada, com cada ondulação subindo e descendo em resposta à temperatura ambiente.

“Quanto mais fino algo, mais flexível ele é”, disse Thibado. "E com apenas um átomo de espessura, não há nada mais flexível. É como um trampolim, movendo-se constantemente para cima e para baixo. Se você quiser impedi-lo de se mover, terá que resfriá-lo até 20 Kelvin."

Seus esforços atuais no desenvolvimento desta tecnologia estão focados na construção de um dispositivo que ele chama de Graphene Energy Harvester (ou GEH). GEH usa uma folha de grafeno com carga negativa suspensa entre dois eletrodos de metal.

Quando o grafeno vira para cima, ele induz uma carga positiva no eletrodo superior. Quando vira para baixo, carrega positivamente o eletrodo inferior, criando uma corrente alternada. Com diodos conectados em oposição, permitindo que a corrente flua em ambos os sentidos, caminhos separados são fornecidos através do circuito, produzindo uma corrente CC pulsante que realiza trabalho em um resistor de carga.

Aplicações comerciais

A NTS Innovations, empresa especializada em nanotecnologia, possui licença exclusiva para desenvolver GEH em produtos comerciais. Como os circuitos GEH são tão pequenos, com tamanho de apenas nanômetros, eles são ideais para duplicação em massa em chips de silício. Quando vários circuitos GEH são incorporados em um chip em matrizes, mais energia pode ser produzida. Eles também podem operar em muitos ambientes, tornando-os particularmente atraentes para sensores sem fio em locais onde a troca de baterias é inconveniente ou cara, como um sistema de tubulação subterrânea ou dutos de cabos internos de aeronaves.

Donald Meyer, fundador e CEO da NTS Innovations, disse:"A pesquisa de Paul reforça nossa convicção de que estamos no caminho certo com a colheita de energia com grafeno. Agradecemos nossa parceria com a Universidade de Arkansas para trazer esta tecnologia ao mercado."

Ryan McCoy, vice-presidente de vendas e marketing da NTS Innovations, acrescentou:"Há uma ampla demanda em toda a indústria eletrônica para reduzir os formatos e diminuir a dependência de baterias e energia com fio. Acreditamos que a coleta de energia com grafeno terá um impacto profundo em ambos. "

Sobre o longo caminho até alcançar o seu mais recente avanço teórico, Thibado disse:"Sempre houve esta questão:'Se o nosso dispositivo de grafeno estiver num ambiente muito silencioso e muito escuro, irá colher alguma energia ou não?' A resposta convencional para isso é não, pois aparentemente desafia as leis da física. Mas a física nunca foi analisada com cuidado."

“Acho que as pessoas ficaram com um pouco de medo do assunto por causa de Feynman. Então, todo mundo apenas disse:'Não vou tocar nisso.' Mas a questão continuou a exigir a nossa atenção. Honestamente, a sua solução só foi encontrada através da perseverança e das abordagens diversificadas da nossa equipa única."

Mais informações: PM Thibado et al, Carregando capacitores a partir de flutuações térmicas usando diodos, Physical Review E (2023). DOI:10.1103/PhysRevE.108.024130
Informações do diário: Cartas de revisão física , Revisão Física E

Fornecido pela Universidade de Arkansas