Mạch điện từ vật liệu graphene có thể tạo ra điện sạch, phi giới hạn

“Một mạch tự khai thác điện chứa graphene như vậy có thể tích hợp với một con chip để cung cấp một nguồn điện áp thấp, sạch, phi giới hạn cho những thiết bị nhỏ hoặc cảm biến”, Paul Thibado, giáo sư vật lý và là người dẫn dắt nghiên cứu này, cho biết.

Phát hiện này được xuất bản trên tạp chíPhysical Review E. Nó bắt nguồn từ một lý thuyết được các nhà vật lý tại trường đại học Arkansas phát triển ba năm trước về freestanding graphene – một đơn lớp các nguyên tử carbon – gợn sóng và uốn cong theo một cách hứa hẹn khả năng khai thác năng lượng.

Ý tưởng khai thác năng lượng từ graphene gây tranh cãi bởi nó đi ngược lại khẳng định nổi tiếng của nhà vật lý Richard Feynman là chuyển động nhiệt của các nguyên tử, mà người ta quen gọi là chuyển động Brown, không thể thực hiện được. Nhóm nghiên cứu của Thibado đã tìm thấy là ở nhiệt độ phòng, chuyển động nhiệt của graphene trên thực tế đã đem lại một dòng điện xoay chiều trong một mạch điện, một thành công tưởng chừng không thể.

Trong những năm 1950, nhà vật lý Léon Brillouin đã xuất bản một bài báo mang tính cột mốc bác bỏ ý tưởng thêm vào một đơn diode, một cái cổng chỉ cho phép dòng điện một chiều đi qua, để một mạch điện có thể có tính năng khai thác điện năng từ chuyển động Brown. Biết rõ điều đó, nhóm nghiên cứu của Thibado đã tự xây dựng được một mạch điện với hai diode để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành một chiều. Với các diode được bố trí ở trạng thái đối lập cho phép dòng điện chạy qua cả hai chiều, họ đã đem lại các ngả đường riêng rẽ qua mạch điện, tạo ra một dòng điện một chiều xung có thể hoạt động trên một điện trở tải.

Thêm vào đó, họ phát hiện ra là thiết kế của mình đã làm tăng thêm lượng điện được truyền tải. “Chúng tôi đã tìm thấy hành xử như thay đổi bật tắt của các diode này trên thực tế đã làm khuếch đại lượng điện được truyền tải hơn là giảm đi như trước đây người ta vẫn nghĩ”, Thibado cho biết. “Tỷ lệ thay đổi trong điện trở do các diode tạo ra đã tăng thêm nhân tố góp phần tăng thông lượng điện này”.

Nhóm nghiên cứu đã dùng một lĩnh vực vật lý mới liên quan để chứng minh các diode làm tăng thêm điện năng trong mạch điện. “Để chứng minh sự tăng cường điện năng đó, chúng tôi đã tìm đến lĩnh vực mới nổi là nhiệt động lực học ngẫu nhiên(stochastic thermodynamics) và mở rộng Nyquist, lý thuyết đã tồn tại gần thế kỷ”, đồng tác giả Pradeep Kumar, phó giáo sư vật lý, nói.

Theo giải thích của Kumar, graphene và mạch điện cùng chia sẻ một mối liên hệ mang tính cộng sinh. Dẫu môi trường nhiệt đang cho phép thực hiện trở điện tải, graphene và mạch cùng ở một mức nhiệt độ và độ nóng không trao đổi giữa chúng.

Giáo sư Paul Thibado. Nguồn: ĐH Arkansas

Điều này hết sức quan trọng, Thibado cho biết, bởi một sự khác biệt về nhiệt độ giữa graphene và mạch, trong một mạch tạo ra điện, có thể mâu thuẫn với định luật thứ hai của nhiệt động lực học. “Điều đó có nghĩa là định luật thứ hai của nhiệt động lực học không bị vi phạm, cũng như không có điều gì khiến phải tranh cãi về việc ‘con quỷ của Maxwell’ chia tách các electron nóng và lạnh”, Thibado nói.

Nhóm nghiên cứu cũng phát hiện ra chuyển động chậm liên quan của graphene dẫn đến dòng điện trong mạch tại các tần số thấp, vốn là điều quan trọng nếu nhìn từ góc độ công nghệ bởi chức năng điện tử thường hoạt động hiệu quả hơn ở các mức tần số thấp.

“Con người có thể nghĩ là dòng điện chạy trong một điện trở là nguyên nhân gia nhiệt nhưng dòng điện Brown lại không như thế. Trên thực tế, nếu không có dòng điện chạy qua, điện trở đó có thể giảm nhiệt”, Thibado giải thích. “Những gì chúng tôi làm là tái định tuyến dòng điện trong mạch và chuyển nó thành một thứ hữu dụng”.

Chủ đề tiếp theo của nhóm nghiên cứu là xác định xem dòng điện một chiều có thể lưu trữ được trong một cái tụ điện để sử dụng nguồn điện dự trữ đó cho những lần sau không – đây là một mục tiêu đòi hỏi tối giản mạch và tạo mẫu vào một lát mỏng silicon, hoặc chip. Nếu hàng triệu mạch nhỏ xíu đó được tạo ra trên một con chip có diện tích 1x1 mi li mét, chúng có thể đóng vai trò thế chỗ một cái pin trữ điện rất nhỏ.