| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Vlnící se grafénové listy – klíč k čisté energii
Petr Panchártek
Fyzikové na Univerzitě v Arkansasu objevili nanogenerátorNanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů., který by se mohl využít k výrobě čisté a dlouhodobě získatelné energie z tepelných pohybů listu grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010.. Mechanizmus pojmenovali VEH (Vibration Energy Harvest), doslova „sběr vibrační energie“. Ukázalo se, že dvojrozměrné materiály se mohou využít jako významný zdroj pro získávání energie.
Umělecké ztvárnění vlnění 2D materiálu. Zdroj: Imagine Intelligent Materials.
|
Grafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. Brownův pohyb – neuspořádaný pohyb malých částeček v kapalině nebo v plynu, jehož příčinou jsou nárazy molekul na tyto částečky. Pohyb Brownovy částice je důsledkem neuspořádaného pohybu molekul prostředí. Střední rychlost Brownovy částice roste s teplotou, se zmenšením viskozity prostředí a se zmenšením rozměru částic. Tento pohyb poprvé pozoroval pod mikroskopem skotský botanik Robert Brown v roce 1827 jako náhodný pohyb pylových zrn v kapce vody. Albert Einstein tento pohyb interpretoval v roce 1905 jako vliv náhodných nárazů molekul vody. Lévyho lety – typické pohyby dané statistickým rozdělením, jehož vysokorychlostní část (chvost rozdělení) neubývá exponenciálně, jak je tomu u Gaussova rozdělení, ale pouze mocninně. Výsledkem jsou běžné chaotické pohyby kombinované s občasnými náhlými pohyby na delší vzdálenost. Lévyho lety se objevují v teorii chaosu, při zemětřeseních, v biologii (náhodné hledání potravy jedincem), v astronomii, ale i ve finančních tocích, kryptografii a jinde. Pojmenovány jsou podle francouzského matematika Paula Lévyho. STM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10−10 m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. |
Vlnění dvourozměrného materiálu
GrafenGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. je materiál, který vzniká oddělením jedné vrstvy atomů uhlíku z grafituGrafit – forma uhlíku s atomy tvořícími, podobně jako led, šestiúhelníkovou krystalovou mříž. Atomy v jedné rovině jsou propojeny v pravidelné šestiúhelníky do tvaru připomínajícího včelí plástve. Tyto roviny jsou pak řazeny nad sebou tak, že tři uzlové body (atomy) sousedních vrstev krystalové mříže jsou právě nad geometrickými středy šestiúhelníků sousední vrstvy a tři jsou v zákrytu. Vzdálenost mezi vrstvami je 0,336 nm, strana šestiúhelníku 0,2464 nm, hustota grafitu je 2,26 g/cm3.. Dlouho se zdálo, že samotná vrstva nemůže bez podpory substrátu existovat, ale nakonec se její příprava podařila v roce 2004 Andreji Geimovi a Konstantinu Novoselovi na Manchesterské univerzitě. Za objev získali Nobelovu cenuNobelova cena – je udílena švédskou Královskou akademií věd jednou ročně v pěti kategoriích: za fyziku, chemii, fyziologii a medicínu, literaturu a za úsilí o mír. Cena je hrazena z Nobelovy nadace, kterou založil Alfréd Nobel, vynálezce dynamitu, v roce 1895. První cena za fyziku byla udělena v roce 1901 Wilhelmu Roentgenovi za objev rentgenového záření. Hodnota Nobelovy ceny se mění, v roce 2021 činí 10 milionů švédských korun, tj. 25 milionů českých korun. Uděluje se vždy 10. prosince při výročí smrti Alfreda Nobela. za fyziku pro rok 2010, neboť se ukázalo, že jimi objevený materiál má naprosto výjimečné vlastnosti a znamená průlom v mnoha technologiích.
Objevený materiál ve skutečnosti není přesně dvourozměrný, probíhá v něm Brownův pohybBrownův pohyb – neuspořádaný pohyb malých částeček v kapalině nebo v plynu, jehož příčinou jsou nárazy molekul na tyto částečky. Pohyb Brownovy částice je důsledkem neuspořádaného pohybu molekul prostředí. Střední rychlost Brownovy částice roste s teplotou, se zmenšením viskozity prostředí a se zmenšením rozměru částic. Tento pohyb poprvé pozoroval pod mikroskopem skotský botanik Robert Brown v roce 1827 jako náhodný pohyb pylových zrn v kapce vody. Albert Einstein tento pohyb interpretoval v roce 1905 jako vliv náhodných nárazů molekul vody., což je malé kolísání atomů uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. tvořících grafén. Materiál se snaží zvlnit do třetí dimenze, podobně jako se vlny pohybují na povrchu oceánu. Od té doby, kdy skotský botanik a lékař Robert Brown pozoroval v roce 1827 Brownův pohyb, uvažovali vědci o tom, zda by nešlo tento pohyb využít pro získávání energie.
Lévyho lety
Vědce Paula Thibada, profesora fyziky na Univerzitě v Arkansasu, napadla myšlenka dvourozměrného generátoru energie poté, co jeho tým studentů zaznamenal podivné mikroskopické pohyby listu grafenu. Thibado se svými studenty podložil při pozorování pohybů list grafenu měděnou mřížkou. Pohyby sledoval pomocí skenovacího tunelovacího mikroskopuSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10−10 m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. . Mikroskop skenuje povrch materiálu za pomoci mimořádně ostrého mikroskopického hrotu a vytváří snímky s atomovým rozlišením. Pomocí této techniky shromáždil tým dostatek informací o pohybech volně ležícího grafenu. Obrázky z STMSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10−10 m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. byly ale poněkud překvapivé a na první pohled nebylo jasné, o jaké pohyby jde. Příliš veliká oblast materiálu znamenala, že se jednotlivé typy pohybů nedaly od sebe oddělit. Proto každý obrázek rozdělili na menší úseky. Plochu skenovanou mikroskopem zužovali tak dlouho, dokud neviděli jen jedno jediné zvlnění. Nakonec úplně zastavili skenovací hrot a jednoduše měřili pohyby v jednom jediném místě, jako by se dívali na bójku, která se v oceánu pohybuje pouze nahoru a dolů. Jednalo se o nové použití skenovacího mikroskopu a v tomto výzkumu znamenalo zásadní obrat.
Zvlněný povrch grafenu byl sledován hrotem skenovacího
mikroskopu.
Zdroj: Arkansas University / Physical Review Letters.
Když tým začal analyzovat data „v bodovém režimu“, objevil dva typy pohybů: malý Brownův pohybBrownův pohyb – neuspořádaný pohyb malých částeček v kapalině nebo v plynu, jehož příčinou jsou nárazy molekul na tyto částečky. Pohyb Brownovy částice je důsledkem neuspořádaného pohybu molekul prostředí. Střední rychlost Brownovy částice roste s teplotou, se zmenšením viskozity prostředí a se zmenšením rozměru částic. Tento pohyb poprvé pozoroval pod mikroskopem skotský botanik Robert Brown v roce 1827 jako náhodný pohyb pylových zrn v kapce vody. Albert Einstein tento pohyb interpretoval v roce 1905 jako vliv náhodných nárazů molekul vody. kombinovaný s většími koordinovanými pohyby. Při těchto větších pohybech se zvlnění překlápělo jako tenký kus kovu, který se opakovaně ohýbá. Malé náhodné pohyby kombinované s většími náhlými pohyby jsou ve statistické fyzice známé jako tzv. Lévyho letyLévyho lety – typické pohyby dané statistickým rozdělením, jehož vysokorychlostní část (chvost rozdělení) neubývá exponenciálně, jak je tomu u Gaussova rozdělení, ale pouze mocninně. Výsledkem jsou běžné chaotické pohyby kombinované s občasnými náhlými pohyby na delší vzdálenost. Lévyho lety se objevují v teorii chaosu, při zemětřeseních, v biologii (náhodné hledání potravy jedincem), v astronomii, ale i ve finančních tocích, kryptografii a jinde. Pojmenovány jsou podle francouzského matematika Paula Lévyho.. Tento jev lze pozorovat v různých souvislostech. Příkladem mohou být biomedicínské signály, klimatická dynamika, chování zvířat při shánění potravy a dokonce i davy lidí v Disneyho světě. Thibado je první, kdo pozoroval tyto samovolné lety v atomárním měřítku u anorganické látky.
Animace ukazující vlnění vrstvy grafenu. Zdroj: Research Frontiers.
Čistý a dlouhodobý zdroj energie
Kdysi vědci uvažovali o tom, že zakřivení grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. by mohlo být využito jako zdroj energie. Thibadovy experimenty šly mnohem dále. Ukázaly, že grafen má přirozeně se vyskytující módy vlnění, které jsou odezvou na teplotu okolního prostředí. V listech grafenu jsou atomy uhlíku provázány, proto vibrují v tandemu, což jejich pohyby odlišuje od náhodných vibrací, které byste pozorovali například u molekul kapaliny. A právě to je klíčem k využití dvourozměrného materiálu jako zdroje energie. K jejímu získání lze použít nejnovější nanotechnologieNanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů..
Thibado začal vyvíjet zařízení, které přemění energii Lévyho letůLévyho lety – typické pohyby dané statistickým rozdělením, jehož vysokorychlostní část (chvost rozdělení) neubývá exponenciálně, jak je tomu u Gaussova rozdělení, ale pouze mocninně. Výsledkem jsou běžné chaotické pohyby kombinované s občasnými náhlými pohyby na delší vzdálenost. Lévyho lety se objevují v teorii chaosu, při zemětřeseních, v biologii (náhodné hledání potravy jedincem), v astronomii, ale i ve finančních tocích, kryptografii a jinde. Pojmenovány jsou podle francouzského matematika Paula Lévyho. vrstvy grafenuGrafen – jedna z mnoha forem uhlíku. Jde o atomární monovrstvu či dvojvrstvu složenou z pravidelných šestiúhelníků, která má mimořádnou pevnost a vysokou elektrickou i tepelnou vodivost. Má revoluční využití v elektrotechnice a jiných oborech. Grafen poprvé připravili v roce 2004 Andrej Geim a Konstantin Novoselov. Za svůj objev získali Nobelovu cenu za fyziku pro rok 2010. na elektřinu. Množství aplikací takového zařízení může být obrovské. Thibado získal předběžný patent na tento vynález označovaný zkratkou VEH (Vibration Energy Harvest), což znamená „sběr vibrační energie“. Jeho zařízení obsahuje záporně nabitou vrstvu grafenu, která je zavěšená mezi dvě kovové elektrody. Když se grafen prohýbá nahoru, indukuje kladný náboj v horní elektrodě a když se prohýbá dolů, nabije naopak spodní elektrodu, a vytváří tak střídavý proud.
Animace ukazující návrh vibračního získávání energie. Zdroj: Research Frontiers.
Kousky grafenu v Thibadově laboratoři měří něco okolo deseti mikrometrů. Jsou tak malé, že by se jich na hlavičku špendlíku vešlo více než 20 000. Každý Lévyho let měří jen 10 nanometrů a mohl by přitom vyprodukovat 10 pikowattů energie. To znamená, že každá z těchto „mikromembrán“ může například generovat dostatek energie k napájení náramkových hodinek, které se nikdy se nevybijí a nemusí se proto nabíjet.
Vědci navrhli miniaturní generátor, který by mohl zcela změnit náš přístup k čisté a dlouhodobě získatelné energii. Mohl by umožnit odesílat, přijímat, zpracovávat nebo ukládat informace, pokud by v okolí byla udržována pokojová teplota. To by mělo významné důsledky pro úsilí spojit fyzické objekty s digitálním světem, známé jako „Internet of Things“. Nový zdroj energie by se tak dal využít pro pozoruhodné a velmi různorodé aplikace.
Fantastická technologie
Thibado požádal o patent a tvrdí, že jeho generátor je životaschopný. Budeme si ale muset počkat na testy prototypu tohoto miniaturního elektrického generátoru. Pokud se myšlenka Thibadova týmu ukáže jako reálná, pak by to znamenalo revoluci nejen ve vytváření energie, ale i ve velikosti generátorů energie. Samočinně se nabíjející mikroskopický zdroj energie by mohl pohánět miniaturní součásti v inteligentních zařízeních, například čidla v chytrých textiliích (viz AB 23/2015) i jinde. Jednou z možných aplikací jsou zdravotnické přístroje. Současné lékařské implantáty, které často vyžadují baterie, by mohly fungovat jen s pomocí mikroskopických pohybům grafenu a samočinně se nabíjet. Díky tomu by mohly vzniknout malé a účinné inteligentní bioimplantáty. Mikroskopické samočinné nabíjení by mohlo být mimořádně užitečné pro sluchové implantáty, kardiostimulátory a nosné senzory by se mohly díky této technologii zdokonalit. Zajímavým využitím jsou také ušní překladače a další zařízení, která by zdokonalila naše smysly.
Thibado a jeho tým budou nadále zkoumat potenciál grafenu jako jedinečného zdroje čisté a dlouhodobě získatelné energie. Takový zdroj energie by nemalou mírou vylepšil technologie, které jsou blízké biologickým pochodům v lidském těle.
Odkazy
- M. L. Ackerman et al.: Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes; Physics Review Letters 117, 126801 (2016)
- Chelsea Gohd: Rippling Graphene Sheets May Be the Key to Clean, Unlimited Energy; Futurism, 3 Dec 2017
- Camilla Shumaker: Good Vibrations; UARK Research Frontiers, 20 Oct 2017
- UARK News: Using the Natural Motion of 2D Materials to Create a New Source of Clean Energy; 21 Nov 2017
- Quant Dare: Lévy flights. Foraging in a finance blog; 16 Nov 2016
