Графен, форма углерода, шестиугольная кристаллическая решетка которого имеет одноатомную толщину, является достаточно универсальным материалом. Благодаря высокой механической прочности этого материала, его прекрасной электрической проводимости и ряду других уникальных параметров графен может использоваться в самых различных областях, начиная от производства бытовой техники и заканчивая электронной, авиационной и космической промышленностью. А недавно исследователи из Арканзаского университета (University of Arkansas) обнаружили, что графен может стать практически неисчерпаемым источником экологически чистой энергии. И энергии, вырабатываемой крошечным опытным графеновым генератором, достаточно для того, чтобы приводить в действие наручные электронные часы.
Во время исследований, направленных на изучение спонтанного движения участков графеновой пленки при помощи туннельного микроскопа, исследователи из Арканзаса наткнулись на интересный эффект. Этот эффект является результатом теплового Броуновского движения, беспорядочного движения молекул газа или жидкости, порождаемого их тепловой (кинетической) энергией и столкновениями отдельных частиц. В случае графена это тепловое движение проявляется в виде вибрации атомов углерода, находящихся в узлах кристаллической решетки материала. А результатом колебаний атомов, в свою очередь, являются колебания некоторой площади графеновой пленки, которые, в некоторых случаях, распространяются по пленке подобно волнам.
Именно волнообразные колебания графеновой пленки и являются тем неисчерпаемым источником энергии, которое приводит в действие опытный образец генератора Vibration Energy Harvester (VEH). Лист графена помещен между двумя близко расположенными металлическими электродами. Когда верхушка “волны” отрицательно заряженного графена касается верхнего электрода, часть заряда перетекает на него, создавая электрический потенциал. И, наоборот, когда нижняя часть волны касается нижнего электрода, создается электрический потенциал обратной полярности. В результате всего этого возникает переменный электрический ток, частота которого соответствует частоте колебаний графеновой пленки.
Конечно, с учетом микроскопических масштабов всех происходящих процессов, количество вырабатываемой таким генератором энергии является мизерным. Каждая волна графена приводит к появлению области деформации, площадью около 10 квадратных нанометров, и одна такая область способна произвести до 10 пиковатт энергии при контакте с одним из электродов. Тем не менее, когда площадь колеблющейся графеновой пленки увеличивается, количество вырабатываемой ею энергии увеличивается по экспоненте.
Как уже упоминалось выше, опытные графеновые генераторы с площадью одного участка графена в несколько квадратных микрометров, могут приводить в действие электронные наручные часы. Таким часам уже не будет нужна периодическая замена батарейки или подзарядка аккумулятора, ведь VEH-генератор способен работать до бесконечности.
В ближайшем времени ученые из Арканзаса планирую провести подобные эксперименты с использованием других двухмерных и условно двухмерных материалов, среди которых может обнаружиться материал, демонстрирующий большую эффективность в производстве электрической энергии, нежели графен. И, в конце концов, на свет могут появиться крошечные тепловые генераторы, которые будут снабжать энергией миниатюрные и малопотребляющие электронные устройства, такие, как кардиостимуляторы, слуховые аппараты, датчики и т.п.