導讀背景2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）成功分離出一種由單層碳原子組成的蜂窩狀結構材料：石墨烯（graphene）。
（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）
石墨烯在力學、電學 、光學 、熱學等方面具有許多優異特性，享有“新材料之王”的美譽。從理論上講，石墨烯是最薄、最硬、強度最高的材料，硬度超過鑽石，強度超過鋼鐵，還具有很好的柔性。其導熱性能高於碳納米管和金剛石。常溫下的電子遷移率超過納米碳管或矽晶體，電阻比銅或銀更低。創新近日，美國阿肯色大學的一支物理學家團隊成功開發出一種能夠捕捉石墨烯熱運動並將其轉化為電流的電路。
（圖片來源：阿肯色大學）
這項探索性研究的首席研究員、物理學教授保羅·蒂巴多（Paul Thibado）表示：“基於石墨烯的能量採集電路可以整合到芯片中，為小型設備或傳感器提供乾淨、無限的低壓電源。”該研究成果發表在《物理評論E》（Physical Review E）雜誌上，證明了物理學家三年前在阿肯色大學所開發的理論，即獨立的石墨烯（單層碳原子）以某種方式被褶皺和彎曲，從而有望採集能量。
保羅·蒂巴多手持能量採集芯片的原型。（圖片來源：Russell Cothren）
技術從石墨烯中採集能量的想法過去有過爭議，因為它違反了物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）的著名斷言，即原子稱為布朗運動的熱運動不會起作用。蒂巴多的團隊發現，室溫下石墨烯的熱運動實際上會在電路中引起交流電，這一成就過去被認為是不可能的。二十世紀五十年代，物理學家萊昂·布里淵（Léon Brillouin）發表了一篇具有里程碑意義的論文，駁斥了在電路中添加單個二極管（單向電門）能從布朗運動中採集能量的想法。基於這一點，蒂巴多的研究小組用兩個二極管構建了他們的電路，將交流電轉換為直流電。通過讓二極管處於相反位置使電流可以雙向流動，他們提供了通過電路的獨立路徑，從而產生脈衝式直流電，這個電流可以在負載電阻上運行。此外，他們發現這項設計增加了傳遞的功率數量。蒂巴多表示：“我們還發現，二極管的通斷、開關狀行為實際上放大了所傳遞的功率，而不是像以前所認為的那樣降低了功率。二極管提供的電阻變化率為功率增加了一個額外的因素。”該團隊採用了一個相對較新的物理領域來證明二極管增加了電路的功率。物理學副教授、論文作者之一的普拉蒂普·庫馬爾（Pradeep Kumar）表示：“在證明這種功率增強的過程中，我們從隨機熱力學這一新興領域中汲取了經驗，並拓展了近百年歷史的著名的奈奎斯特理論。”庫馬爾認為，石墨烯與電路具有共生關係。儘管熱環境在負載電阻上起作用，但石墨烯與電路的溫度相同，熱量不在兩者之間流動。蒂巴多表示，這是一個重要的區別，因為在產生功率的電路中，石墨烯與電路之間的溫差，將與熱力學第二定律相牴觸。他說：“這意味著沒有違反熱力學第二定律，也沒有必要爭論’麥克斯韋妖’正在分離熱電子和冷電子。”該團隊還發現，石墨烯的相對較慢的運動會在低頻條件下引發電路中的電流，從技術角度來看這一點很重要，因為電子器件在較低頻率下會更有效地發揮作用。蒂巴多解釋道：“人們可能認為，電阻中流動的電流會導致其發熱，而布朗電流不會。實際上，如果沒有電流流動，電阻會冷卻下來。我們所做的是重新調整電路中電流的流動路徑，並將其轉化為有用的東西。”團隊下一個目標是判斷直流電是否可以存儲在電容器中供以後使用，這個目標需要將電路小型化，並在晶圓或者芯片上刻畫圖案。如果數百萬個這樣的微型電路能在1毫米乘1毫米的芯片上構造，那麼它們有望取代低功耗電池。
