Investigadores de dos universidades han ideado dos posibilidades muy diferentes para explotar el grafeno como transductor de recolección de energía mediante energía térmica o de radiofrecuencia.
¿Se está convirtiendo el grafeno en una de las sustancias más elementales e increíblemente versátiles -algo así como el silicio- que aparece con muchas características y resuelve potencialmente muchos problemas únicos? Sólo el tiempo lo dirá, pero los indicios actuales son favorables.
En primer lugar, una breve reseña sobre el grafeno. Son capas de átomos de carbono con un átomo de grosor dispuestas en una red hexagonal bidimensional. Por tanto, el grafeno es el material más fino que se conoce, pero increíblemente resistente (unas 200 veces más fuerte que el acero). Es un excelente conductor del calor y la electricidad y tiene una interesante capacidad de absorción de la luz. El material fue aislado y caracterizado en 2004 por Andre Geim y Konstantin Novoselov en la Universidad de Manchester, que recibieron el Premio Nobel de Física en 2010 por sus investigaciones sobre el material.
Ahora, dos investigaciones no relacionadas entre sí demuestran que puede ser útil para la captación de energía. En primer lugar, un equipo de físicos de la Universidad de Arkansas ha desarrollado con éxito un circuito capaz de captar el movimiento térmico del grafeno y convertirlo en corriente eléctrica. La idea de obtener energía del grafeno es controvertida porque contradice la afirmación del legendario físico Richard Feynman de que el movimiento térmico de los átomos -conocido como movimiento browniano– no puede producir trabajo.
Sin embargo, según Paul Thibado, profesor de física e investigador principal, el movimiento térmico del grafeno induce de hecho una corriente alterna (ac) en un circuito a temperatura ambiente, un logro que se creía imposible. Su grupo construyó su circuito con dos diodos para convertir la corriente alterna en corriente continua, permitiendo así que la corriente fluya en ambos sentidos y proporcionando caminos separados a través del circuito para producir una corriente continua pulsante que realiza trabajo en una resistencia de carga (Fig. 1).
Figura 1. Este boceto de un modelo de circuito con el diagrama de barrera de energía es una representación sencilla de la física profunda que subyace al principio de la recolección basada en el grafeno. (Fuente: Universidad de Arkansas)
Las simulaciones numéricas muestran que el sistema alcanza el equilibrio térmico y que los índices medios de calor y trabajo proporcionados por la termodinámica esquemática tienden rápidamente a cero. Sin embargo, la potencia es disipada por la resistencia de carga, y su media temporal es exactamente igual a la potencia suministrada mediante el baño térmico. La fórmula exacta de la potencia es similar a la fórmula de la potencia del ruido de Nyquist, salvo que la tasa de cambio de la resistencia del diodo aumenta significativamente la potencia de salida, y el movimiento del grafeno desplaza el espectro de potencia a frecuencias más bajas.
En su disposición, la capa de grafeno se montó sobre unos soportes para que una punta de microscopio de barrido en túnel (scanning tunneling microscope, STM) pueda acercarse a él, con la unión punta-muestra del STM incorporada en el circuito mostrado (Fig. 2). Así, la muestra está aislada de tierra y conectada a dos diodos; la unión punta-muestra actúa como un condensador variable. La corriente de túnel, la corriente del diodo 1 (D1C) y la corriente del diodo 2 (D2C) se monitorizan simultáneamente.
Figura 2. Se ilustran los conjuntos de datos del microscopio de barrido en túnel (STM) adquiridos cuando la punta realiza un túnel de electrones. (a) Diagrama del circuito que muestra la punta del STM, la muestra, el voltaje de polarización, los amperímetros y la disposición del diodo. (b) Esquema de la capa de grafeno en estado ondulado e ilustraciones de los cambios de forma del grafeno. (c) Fluctuaciones de altura del grafeno. (d) Corriente de tunelización STM frente al tiempo para el grafeno libre y rígido. (e) Desviación estándar de la corriente de túnel frente a la corriente de consigna para el grafeno libre y rígido. (Fuente: Universidad de Arkansas)
Esta disposición de diodos se utiliza para la captación de energía, pero aquí se utiliza para aislar la corriente inducida por el grafeno procedente de la batería que alimenta el STM aislado eléctricamente. A una distancia punta-muestra de 2 nm o menos, los electrones de túnel dominan la corriente; para distancias mayores, domina la corriente de desplazamiento.
Obviamente, este trabajo implica una física intensa y profunda, y se explica en su artículo “Fluctuation-induced current from freestanding graphene“ publicado en APS Physical Review E. Es un artículo cuyo contenido se puede pagar, pero también se puede consultar aquí (también hay una breve animación en video, mire a continuación).
Francamente, aquí se requiere un cierto acto de fe a pesar del análisis completo en el artículo publicado, especialmente porque el profesor Thibado también promueve su investigación con declaraciones optimistas como “Un circuito de recolección de energía basado en el grafeno podría incorporarse a un chip para proporcionar energía limpia, ilimitada y de bajo voltaje para pequeños dispositivos o sensores”. Los avances de la física y la tecnología exigen “nunca decir nunca”, pero nunca se sabe.
El descubrimiento del MIT sobre el grafeno
En un avance no relacionado, un equipo del Laboratorio de Investigación de Materiales del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha ideado una forma de recoger energía de radiofrecuencia que va desde las microondas hasta la banda de terahercios. El análisis examina la física y las presuntas limitaciones del comportamiento mecánico-cuántico del grafeno, y las formas de superarlas. Descubrieron que, al combinar el grafeno con otro material -en este caso, el nitruro de boro-, los electrones del grafeno deberían desviar su movimiento hacia una dirección común, lo que permitiría el flujo de corriente.
Aunque las tecnologías experimentales anteriores han sido capaces de convertir las ondas de terahercios en corriente continua, sólo podían hacerlo a temperaturas ultrafrías, lo que obviamente limita sus aplicaciones prácticas. En su lugar, el investigador principal, Hiroki Isobe, comenzó a investigar si los propios electrones de un material podían ser inducidos a nivel mecánico-cuántico para que fluyeran en una dirección, con el fin de dirigir las ondas de energía electromagnética entrantes hacia una corriente continua. El material utilizado debía estar libre de impurezas para que los electrones fluyeran sin dispersarse por las irregularidades del material, y el grafeno era un material atractivo.
Pero eso era sólo el punto de partida. Para que los electrones del grafeno fluyeran en una dirección era necesario “romper” la simetría inherente al material. Así, los electrones sentirían una fuerza igual en todas las direcciones, lo que significaría que cualquier energía entrante se dispersaría al azar. Otros experimentaron con el grafeno colocándolo sobre una capa de nitruro de boro, de modo que las fuerzas entre los electrones del grafeno se desequilibraban: los electrones más cercanos al boro sentían una fuerza, mientras que los más cercanos al nitrógeno experimentaban una fuerza diferente.
Esta “dispersión sesgada” puede dar lugar a un flujo de corriente útil. El equipo de investigación imaginó un rectificador de terahercios formado por un pequeño trozo de grafeno sobre una capa de nitruro de boro. Se colocaría dentro de una antena que recogiera y concentrara la radiación de terahercios del entorno, aumentando su señal lo suficiente como para convertirla en corriente continua (Fig. 3).
Figura 3. Figura esquemática de un rectificador basado en un material 2D. En esta configuración, la corriente continua rectificada se detecta de forma transversal al campo eléctrico incidente, lo que resulta ventajoso para reducir el ruido. La antena se acopla a ambos lados para recoger más potencia de la radiación y mejorar la sensibilidad. (Fuente: Instituto Tecnológico de Massachusetts)
El equipo ha presentado una patente para su nuevo diseño de “rectificación de alta frecuencia”, que se describe en su artículo de Science Advances “High-frequency rectification via chiral Bloch electrons” junto con el material suplementario. Es necesario leer ambos artículos para darse cuenta de que se trata de un análisis teórico extremadamente profundo (y quiero decir profundo, ya que el número de modelos, ecuaciones, derivadas parciales e integrales es asombroso). No se ha construido ningún dispositivo. Pero no hay que preocuparse: los investigadores están trabajando con físicos experimentales del MIT para desarrollar un dispositivo físico basado en sus conocimientos y análisis.
Noticia tomada de: Electronic Design / Traducción libre del inglés por World Energy Trade
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