Прорыв в энергетике: графен как источник почти бесконечной энергии
Физики из США случайно обнаружили, что графен может вырабатывать энергию с помощью окружающей среды и уже в ближайшем будущем может стать новым словом в энергетике и бионике.
Существование графена в природе стало возможным благодаря тому, что ученые нашли «лазейку» в законах физики и заставили непрерывный двумерный слой атомов вести себя как трехмерный материал. Все больше и больше исследований открывают полезные приложения для этого материала, и предсказания звучат очень обнадеживающе: оказывается, графен можно использовать для получения почти бесконечного количества энергии! Давайте выясним, как именно они связаны: графен и энергия.
В 2022 году группа физиков под руководством исследователей из Арканзасского университета сделала случайное открытие. Первоначальной целью их испытаний было изучение вибрации графена, но зачем?
Мы все знакомы с гранулированным графитом, который обычно используется с керамическими компонентами для изготовления грифеля карандаша. Черная полоса, остающаяся, когда грифель карандаша проводят по бумаге, на самом деле представляет собой тонкие листы атомов углерода, которые легко скользят друг по другу. В течение многих лет физики задавались вопросом, можно ли изолировать такой лист и сделать его самодостаточной двумерной плоскостью?
В 2004 году это удалось физикам Манчестерского университета. Чтобы существовать отдельно друг от друга, слои атомов углерода должны вести себя как трехмерный материал, чтобы обеспечить необходимую стабильность. Оказалось, что «лазейкой» в данном случае является смещение подвижных атомов, придающее графену свойства третьего измерения. Другими словами, графен никогда не был на 100% плоским — он вибрировал на атомном уровне, поэтому его связи не разрывались самопроизвольно.
Чтобы измерить величину этого сдвига и колебаний, физик Пол Тибадот недавно возглавил группу аспирантов и провел с ними очень простое исследование. Ученые помещали листы графена на специальную медную сетку и наблюдали за изменением положения атомов с помощью микроскопа. Однако по какой-то причине цифры не совпали с ожидаемой моделью. Кроме того, данные варьировались от испытания к испытанию. Вы когда-нибудь думали, что графен является источником энергии? Хотя он используется вместе с комплектующими для создания столба. Но вот удивительный факт. Приступим к эксперименту!
Тибадот решил провести эксперимент в другом направлении, пытаясь найти подходящий шаблон и изменив для этого способ анализа данных. Исследователи разделили каждое изображение, полученное в процессе измерения, на подизображения. Стратегия оказалась верной: крупномасштабная картина не позволяла изучать законы движения атомов, но анализ ее деталей позволял выяснить кое-что интересное. Предполагалось, что графеновые пластины двигаются так же, как изогнутые металлические пластины — но это предположение оказалось неверным.
Оказалось, что все застряло в так называемых «рейсах сборов» — закономерностях небольших случайных колебаний в сочетании с внезапными резкими сдвигами. Подобные системы ранее наблюдались в биологических и климатических системах, но на атомном уровне физики видят их впервые. Измерив скорость и величину этих графеновых волн, Тибадот предположил, что их можно использовать для сбора энергии из окружающей среды.
Но почему графен является источником энергии? Видите ли, это очень просто. Пока температура среды не позволяет атомам графена «комфортно» двигаться навстречу друг другу, они будут продолжать пульсировать и изгибаться. Поместите электроды по обе стороны от такой секции графена, и вы получите крошечный генератор. Вот и получается, что графен — это источник энергии. Согласно расчетам, графеновая графеновая пластинка размером 10 х 10 микрон имеет выходную мощность 10 микроватт. Учитывая, что на головке булавки помещается до 20 000 таких квадратов, выглядит такая «электростанция» не очень впечатляюще, не правда ли? Однако этой мощности при комнатной температуре достаточно для обеспечения энергией небольшого устройства — например, электронных наручных часов. Также интересно, что такой способ получения энергии может в будущем привести к созданию биоимплантатов, не требующих громоздких аккумуляторов.
Как мы понимаем, графен и энергетика тесно связаны, что может принести технологиям, так сказать, новое будущее… В настоящее время Тибадо уже работает с учеными из Лаборатории военно-морских исследований США, чтобы понять, есть ли будущее у этой стратегии. Не исключено, что графен станет источником «энергии будущего», которая поможет технологиям добиться решающих прорывов уже в ближайшем будущем.
