石墨烯:能源收集的另一种选择?

石墨烯是令人惊讶的多功能元素物质之一 - 有点像硅 - 这在许多顾问中出现，可能解决了许多独特的问题？只有时间才能告诉，但现在的迹象是有利的。

首先，简要介绍一下石墨烯的背景知识。它是一层单原子厚的碳原子排列在二维六边形晶格中。因此，石墨烯是已知的最薄的材料，但其强度令人难以置信(约比钢强200倍)。它是热和电的优秀导体，具有有趣的光吸收能力。2004年，曼彻斯特大学(University of Manchester)的安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)对这种材料进行了分离和表征，他们因对这种材料的研究获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

现在，两项不相关的研究正在展示它如何在能源收集中发挥作用。首先，阿肯色大学的一组物理学家已经成功开发出一种电路，能够捕捉石墨烯的热运动并将其转换成电流。从石墨烯中获取能量的想法是有争议的，因为它反驳了传奇物理学家理查德·费曼的论断，即原子的热运动——被称为布朗运动——不能做功。

然而，物理学教授兼首席研究员Paul Thibado表示，石墨烯的热运动实际上在室温下确实会在电路中产生交流电，这一成就被认为是不可能实现的。他的团队用两个二极管将交流电转换成直流电，从而使电流双向流动，并在电路中提供单独的路径，从而产生脉冲直流电流，在负载电阻上工作（图。1）．

数值模拟表明，该系统达到了热平衡，随机热力学提供的平均热量和工作速率趋于快速转至零。然而，电力由负载电阻消散，其时间平均水平与热浴提供的功率完全相同。确切的电量公式类似于奈奎斯特的噪声电量公式，不同之处在于二极管电阻的变化率显着提高了输出功率，并且石墨烯的移动将功率谱移到较低频率。

在它们的排列中，石墨烯膜被安装在支架上，以便扫描隧道显微镜(STM)的尖端可以接近它，STM尖端-样品结被纳入电路中如图所示（图2）．样品从地面隔离并连接到两个二极管;尖端样结用作可变电容器。隧道电流，二极管1电流（D1C）和二极管2电流（D2C）被同时监测。

该二极管布置用于能量收集，但是在这里它用于将石墨烯感应电流与电隔离的STM的电池隔离。在尖端样本距离为2nm或更小，隧道电子主导电流;对于较大的距离，位移当前占主导地位。

显然，这项工作涉及强烈和深刻的物理，并在纸质中解释了“来自独立石墨烯的波动引起的电流”发表在APS物理评论E．它在付费墙后面，但也在发布在这里(还有一个简单的视频动画在这里）。

坦白地说，尽管在已发表的论文中进行了全面的分析，但这需要一些信心的飞跃，特别是因为Thibado教授也以乐观的态度来推动他们的研究，比如“基于石墨烯的能量收集电路可以被集成到芯片中，以提供清洁、无限、用于小型设备或传感器的低压电源。”但你永远不知道——当涉及到物理和技术进步时，你应该“永不说不”。

麻省理工学院的石墨烯发现

在另一项不相关的研究中，麻省理工学院(MIT)材料研究实验室的一个团队设想了一种方法来收集从微波到太赫兹波段的射频能量。该分析着眼于石墨烯量子力学行为的物理学和假定的局限性，以及克服它们的方法。他们发现，通过将石墨烯与另一种材料结合——在这种情况下，氮化硼使石墨烯中的电子向一个共同的方向倾斜，从而产生电流。

虽然以前的实验技术已经能够将太赫兹波转化为DC，但它们只能在超薄温度下进行，这可能仅限于它们显然限制了它们的实际应用。相反，主导研究员Hiroki Isobe开始研究，看看是否可以在量子机械水平处诱导材料的自己的电子以在一个方向上流动，以便将输入的电磁 - 能量波转向DC电流。所用的材料必须不含杂质，使得其中的电子将在不散射材料中的不规则性而不会流出，并且石墨烯是有吸引力的材料。

但这只是起点。直接石墨烯的电子在一个方向上流动，需要“破坏”材料的固有对称性。因此，电子将在所有方向上感觉到相等的力，这意味着任何进入的能量将随机散射。其他人通过将石墨烯放置在一层氮化物层上，使得石墨烯电子之间的力被敲除了靠近硼的空平面电子感觉到一种力，而那些更靠近氮的电子经历了不同的拉力。

这种“歪斜散射”可以导致有用的电流流动。该研究团队设想了一个由小平方石墨烯组成的太赫兹整流器，坐在一层氮化硼层上。它将在收集和集中环境太赫兹辐射的天线内夹在天线内，使其信号足以将其转换为直流电流(图3)．

该团队已经为他们的新“高频整流”设计申请了专利科学推进纸 ”手性布洛赫电子的高频整流“随着补充材料．读了这两本书后，你才会意识到这只是一个非常深入的理论分析(我的意思是深入，因为模型、方程、偏导数和积分的数量是惊人的)。实际上还没有任何设备被制造出来。但不用担心——研究人员正在与麻省理工学院的实验物理学家合作，根据他们的洞察力和分析开发一种物理设备。