Il grafene non smette di stupirci: sfida la fisica e cattura energia

L’ottenimento di energia dalle fluttuazioni casuali nei sistemi in equilibrio termico è stato a lungo una sfida. Ora, il grafene ha dato una mano. Quando un sistema è in equilibrio termico, le particelle sono costantemente in movimento a causa della loro energia termica. Si muovono casualmente e collidono l’una con l’altra, ma la distribuzione dell’energia rimane stabile.

La sfida nello sfruttare l’energia di questo movimento disordinato sta nel canalizzare questa casualità energetica in un risultato controllato e utile. Ed è proprio questo che il team di Paul Thibado, dell’Università dell’Arkansas, ha fatto, trovando un modo per sfruttare l’energia delle fluttuazioni termiche nel grafene.

“Penso che le persone avessero qualche timore su questo argomento a causa di Feynman. Quindi tutti dicevano: ‘Non toccherò questo argomento’. Ma la questione continuava a richiamare la nostra attenzione“, ha giustificato il ricercatore, citato da Interesting Engineering.

La congettura di Richard Feynman

Questa avventura scientifica è iniziata con un atteggiamento audace: quello di mettere in discussione la congettura formulata dal fisico Richard Feynman negli anni ’60. All’epoca, lo scienziato affermava che era impossibile estrarre lavoro utile dal moto browniano, specialmente quando i sistemi erano alla stessa temperatura (equilibrio termico). Tuttavia, il team di Thibado ha scoperto qualcosa di inaspettato che era sfuggito fino ad allora.

Il grafene forma naturalmente increspature sulla sua superficie, che agiscono come piccole onde che si muovono su e giù in risposta ai cambiamenti di temperatura circostante. In questo studio, i ricercatori hanno progettato un circuito per estrarre energia da queste increspature, costituito da una giunzione seguita da due diodi collegati in opposizione a una resistenza non lineare. Un diodo è un componente elettronico che permette il flusso di corrente in una sola direzione.

Questa configurazione è stata scelta per superare la condizione stabilita dalla seconda legge della termodinamica, secondo la quale l’energia utile non può essere recuperata quando il circuito e le increspature sono in equilibrio termico, anche se usiamo un diodo.

Ora, utilizzando la configurazione unica con due diodi, il team ha scoperto che poteva rallentare il processo. In sostanza, mentre il circuito interagisce con le particelle in movimento browniano, interrompe temporaneamente l’equilibrio, consentendo il flusso di corrente tra i diodi e la carica dei condensatori di stoccaggio. Tutto questo avviene nel rispetto delle prime e seconde leggi della termodinamica.

Thibado ora vuole andare oltre la teoria e costruire un’applicazione pratica nota come “Graphene Energy Harvester” (GEH), una tecnologia che mira a sfruttare l’unicità flessibile del grafene, che gli consente di catturare energia dall’ambiente con il potenziale di rivoluzionare le soluzioni di energia sostenibile.

L’articolo scientifico con le scoperte più recenti è stato pubblicato questo mese su “Physical Review E“.