El grafeno de una sola capa de átomos de carbono se ondula y se dobla de una manera que parece prometedora para la recolección de energía
Un equipo de físicos de la Universidad de Arkansas ha desarrollado con éxito un circuito capaz de capturar el movimiento térmico del grafeno y convertirlo en una corriente eléctrica.
"Un circuito de recolección de energía basado en el grafeno podría ser incorporado a un chip para proporcionar energía limpia, ilimitada y de bajo voltaje para pequeños dispositivos o sensores", dijo Paul Thibado, profesor de física e investigador principal del descubrimiento.
Los resultados, publicados en la revista Physical Review E, son la prueba de una teoría que los físicos desarrollaron en la Universidad de Arizona hace tres años, según la cual el grafeno de una sola capa de átomos de carbono se ondula y se dobla de una manera que parece prometedora para la recolección de energía.
La idea de recolectar energía del grafeno es controvertida porque refuta la conocida afirmación del físico Richard Feynman de que el movimiento térmico de los átomos, conocido como movimiento Browniano, no puede realizar trabajo. El equipo de Thibado encontró que a temperatura ambiente el movimiento térmico del grafeno induce en realidad una corriente alterna (CA) en un circuito, un logro que se pensaba imposible.
En la década de 1950, el físico Léon Brillouin publicó un documento histórico que refutaba la idea de que añadir un solo diodo, una puerta eléctrica unidireccional, a un circuito es la solución para recolectar energía del movimiento Browniano. Sabiendo esto, el grupo de Thibado construyó su circuito con dos diodos para convertir CA en una corriente continua (CC). Con los diodos en oposición permitiendo que la corriente fluya en ambos sentidos, proporcionan caminos separados a través del circuito, produciendo una corriente continua pulsante que realiza el trabajo en una resistencia de carga.
Además, descubrieron que su diseño aumentaba la cantidad de energía entregada. "También descubrimos que el comportamiento de los diodos, como un interruptor, amplifica la potencia entregada, en lugar de reducirla, como se pensaba anteriormente", dijo Thibado.
El equipo utilizó un campo relativamente nuevo de la física para probar que los diodos aumentaban la potencia del circuito. "Para probar este aumento de potencia, nos basamos en el campo emergente de la termodinámica estocástica y ampliamos la casi centenaria y célebre teoría de Nyquist", dijo el coautor Pradeep Kumar, profesor asociado de física y coautor.
Según Kumar, el grafeno y el circuito comparten una relación simbiótica. Aunque el entorno térmico está realizando un trabajo en la resistencia de carga, el grafeno y el circuito están a la misma temperatura y el calor no fluye entre ambos.
Esa es una distinción importante, dijo Thibado, porque una diferencia de temperatura entre el grafeno y el circuito, en un circuito que produce energía, contradiría la segunda ley de la termodinámica. "Esto significa que no se viola la segunda ley de la termodinámica, ni hay necesidad de argumentar que el 'Demonio de Maxwell' está separando los electrones calientes y los fríos", dijo Thibado.
El equipo también descubrió que el movimiento relativamente lento del grafeno induce corriente en el circuito a bajas frecuencias, lo cual es importante desde una perspectiva tecnológica porque la electrónica funciona más eficientemente a frecuencias más bajas.
"La gente puede pensar que una corriente que fluye en una resistencia hace que se caliente, pero la corriente Browniana no lo hace. De hecho, si no hubiera corriente, la resistencia se enfriaría", explicó Thibado. "Lo que hicimos fue redirigir la corriente en el circuito y transformarla en algo útil".
El siguiente objetivo del equipo es determinar si la corriente continua puede ser almacenada en un condensador para su uso posterior, un objetivo que requiere miniaturizar el circuito y estamparlo en una oblea de silicio, o un chip. Si millones de estos diminutos circuitos pudieran ser construidos en un chip de 1 milímetro por 1 milímetro, podrían servir como un reemplazo para las baterías de bajo consumo.
