Перспективы графена как источника энергии: революция в энергетике?

Ученные из США еще в 2016 году опубликовали любопытное исследование по графену, на основе этого исследования некоторые журналисты сделали вывод об открытии нового источника энергии и даже больше - нового бесконечного источника энергии (тм). Оригинал статьии озаглавлен: "Графен оказался источником бесконечной энергии: революция в энергетике​" по требованиям формата АШ заголовок изменен на более нейтральный. Оригинал статьи от ресурса "Популярная Механика" ниже: 

Существование в природе графена — феномен, который стал возможен благодаря тому, что ученые нашли «лазейку» в законах физики и заставили сплошное двухмерное атомное полотно вести себя как трехмерный материал. Все новые и новые исследования открывают полезные применения этого материала, и прогнозы звучат весьма обнадеживающе: оказалось, что графен можно использовать для получения практически бесконечного числа энергии!

Случайное открытие

Команда физиков, возглавляемая исследователями из Университета Арканзаса, совершила открытие совершенно случайно. Первоначальной целью их испытаний было изучение вибрации графена — но для чего?

Все мы знакомы с зернистым графитом, который обычно используют вместе с керамическими компонентами для создания стержня карандаша. Черная полоска, которая остается после того, как грифель карандаша проведет по бумаге — это, по факту, тонкие листы атомов углерода, которые легко скользят друг над другом. В течение многих лет физики задавались вопросом: можно ли изолировать такой лист и сделать его самостоятельной двумерной плоскостью?

В 2004 году физикам из Манчестерского университета это удалось. Чтобы существовать отдельно друг от друга, листам углеродных атомов необходимо вести себя подобно трехмерному материалу, чтобы обеспечить необходимую стабильность. Оказалось, что «лазейкой» в данном случае является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Другими словами, графен никогда не был 100% плоским — он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его связи не подвергались спонтанному распаду.

Именно для того, чтобы измерить уровень этого смещения и вибрации, физик Пол Тибадо недавно возглавил группу аспирантов и совершил с ними весьма простое исследование. Ученые уложили листы графена на специальную медную сеть и наблюдали изменения в положениях атомов с помощью микроскопа. Однако цифры почему-то не соответствовали ожидаемой модели. Более того, от испытания к испытанию данные разнились.

Графен как источник энергии

Тибадо решил повести эксперимент в другом направлении, пытаясь найти подходящий шаблон и изменив для этого способ анализа данных. Исследователи разделили каждое изображение, полученное в процессе измерений, на суб-изображения. Стратегия оказалась верной: масштабная картина не позволяла изучить закономерности движения атомов, а вот анализ ее частностей в результате позволил выяснить нечто интересное. Предполагалось, что листы графена двигались по тому же принципу, что и согнутые листы металла — но это предположение оказалось ложным.

Оказалось, что все дело в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. Подобные системы раньше наблюдались в биологических и климатических системах, но в атомном масштабе физики видели их впервые. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды.

Пока температура среды препятствует «комфортному» перемещению атомов графена относительно друг друга, они продолжат пульсировать и изгибаться. Поместите электроды с обеих сторон секции такого графена — и получится крошечный генератор. Согласно расчетам, граф размером 10х10 микрон графена обладает мощностью в 10 микроватт. Учитывая, что на булавочной головке может поместиться целых 20 000 таких квадратов, подобная «электростанция» выглядит не слишком впечатляюще, верно? Однако этой мощности при комнатной температуре будет достаточно, чтобы обеспечить энергией какой-нибудь маленький гаджет — к примеру, наручные электронные часы. Интересно и то, что в будущем подобный способ получения энергии может привести к созданию биоимплантов, которым будут не нужны громоздкие аккумуляторы.

Заключение

В настоящее время Тибадо уже сотрудничает с учеными Военно-морской исследовательской лаборатории США, чтобы понять, есть у этой стратегии будущего. Возможно, именно графен станет тем источником «энергии будущего», который уже в ближайшее время позволит технологиям сделать существенный прорыв.

Physical Review Letters

Автор заметки: Василий Макаров

по ссылке в статье: (перевод корявый)

АННОТАЦИЯ

Мы сообщаем [об] субнанометровой, с высокой пропускной способностью измерений от плоскости (вертикали) движения атомов в отдельном графена с помощью метода сканирующей туннельной микроскопии. Путем отслеживания вертикального положения в течение длительного периода времени, в 1000 раз увеличить возможность измерения пространственно-временной динамики атомарно тонких мембран достигается за нынешнее государство-оф-арт-технологий визуализации. Мы видим, что вертикальное движение графеновую мембрану экспонатов редкие длинные-экскурсии масштабе характеризуется как аномальное среднеквадратическим перемещений и Коши-Лоренца сила закона распределения прыгать.

"We report subnanometer, high-bandwidth measurements of the out-of-plane (vertical) motion of atoms in freestanding graphene using scanning tunneling microscopy. By tracking the vertical position over a long time period, a 1000-fold increase in the ability to measure space-time dynamics of atomically thin membranes is achieved over the current state-of-the-art imaging technologies. We observe that the vertical motion of a graphene membrane exhibits rare long-scale excursions characterized by both anomalous mean-squared displacements and Cauchy-Lorentz power law jump distributions."

Рис. 1

(а) схема экспериментальной установки. (б) типичные следы времени высоты мембраны (выше) и из твердого образца (внизу). Врезки-это расширенный вид отдельностоящий графена след времени. (с) типичный туннельный ток профиль во время измерения. (д) средний квадрат смещения (МСД) высоты мембраны как функцию времени. Пунктирные линии соответствует склонов 1,4% и 0,3. Врезки-это результат моделирования, используя экспоненциальное время ожидания и Коши длины прыжка. Опять же, пунктирные линии соответствует склонов 1,4% и 0,3.

Рис. 2

(а) скорость автокорреляционная функция (АКФ) и мгновенной скорости (вставка), вычисленные из мембраны высота з(т)показана на рис. 1. (б) измеряют отдельно стоящая графена (ФСГ) мембрана вероятность функции распределения (PDF), который установлен на Коши-Лоренца и распределений Гаусса, наряду с жесткой контрольный образец (квадратные символы). (с) Скорость pdf и Коши-Лоренца подходит (полная кривые) для различных туннельных токов. (д) изменения в ПОЛУШИРИНУ скорости PDF-файлы с туннельного тока для двух различных напряжений смещения уставки.

Рис. 3

(а) высота центрального атома углерода в срок от моделирования методом молекулярной Динамики для низких температур (100 К) и высоких температурах (3000 к). При высокой температуре данные находятся на переходе от положительных к отрицательным высоты в четыре раза в течение 1 НС. Низкочастотный отфильтрованный высота тоже показали. (б) прыжок в длину вероятность функция распределения для низкочастотной фильтрации данных высота показана лучше всего подходят для Коши-Лоренца и распределений Гаусса. (с) общий вид мембраны в изогнутую вниз форму, помеченные как “(с)” В (А). (д) перспективный вид оболочки изогнутый вверх, помеченные как “(Д)” В (А).