BAGIKAN
Credit: University of Arkansas

Graphene adalah sebuah material yang sangat tipis namun memiliki aplikasi yang begitu luas dalam perkembangan nanoteknologi. Kali ini sebuah tim fisikawan dari University of Arkansas telah berhasil mengembangkan sebuah sirkuit yang mampu memanfaatkan gerakan termal dari graphene dan mengubahnya menjadi arus listrik yang tak terbatas.

Graphene merupakan sejenis material yang terdiri atas atom-atom karbon dengan bentuk konfigurasi kisi yang datar, dengan jarak antar atom-atom karbon sebesar 0,142 nm. Sedemikian tipisnya lapisan graphene ini sehingga merupakan salah satu contoh dari material berdimensi dua. Dibandingkan dengan grafit dengan ketebalan 1 mm, graphene tentu jauh lebih tipis. Dapat dibayangkan, dalam 1 mm grafit, terdapat sekitar tiga ribu lapisan graphene yang menyusun grafit tersebut.

“Sirkuit penghasil energi berbasis graphene dapat dimasukkan ke dalam sebuah chip untuk memberikan daya bertegangan rendah yang bersih, tak terbatas, bagi sebuah perangkat atau sensor berukuran kecil,” kata Paul Thibado, profesor fisika dan peneliti utama dalam penemuan tersebut.



Penemuan tersebut, yang diterbitkan dalam jurnal Physical Review E, adalah bukti dari suatu teori yang dikembangkan para fisikawan di U of A tiga tahun lalu, bahwa lengkungan dan gelombang graphene yang mandiri dengan cara tertentu berpeluang untuk menghasilkan energi.

Ide memanen energi dari graphene merupakan sesuatu yang kontroversial, karena bertentangan dengan pernyataan fisikawan Richard Feynman yang terkenal. Di mana gerakan termal atom, yang dikenal sebagai gerakan Brown, tidak akan dapat bekerja. Gerak Brown adalah gerakan terus menerus dari suatu partikel yang sepenuhnya tidak pernah dalam keadaan terdiam.

Tim Thibado menemukan bahwa pada suhu kamar, gerakan termal graphene sebenarnya menginduksi arus bolak-balik (AC) pada sirkuit, sebuah pencapaian yang dianggap mustahil.

Pada 1950-an, fisikawan Léon Brillouin menerbitkan makalah penting yang menyangkal gagasan bahwa menambahkan dioda tunggal, gerbang listrik satu arah, pada sebuah sirkuit adalah solusi untuk memanen energi dari gerakan Brown. Mengetahui hal ini, kelompok Thibado membangun sirkuit mereka dengan dua dioda untuk mengubah AC menjadi arus searah (DC).

Dengan dioda dalam oposisi yang memungkinkan arus mengalir dua arah, mereka menyediakan jalur terpisah melalui rangkaian, menghasilkan arus DC yang berdenyut yang melakukan pekerjaan pada resistor beban.

Selain itu, mereka menemukan bahwa desain mereka meningkatkan jumlah daya yang dihasilkan. “Kami juga menemukan bahwa perilaku dioda yang hidup-mati dan seperti sakelar sebenarnya memperkuat daya yang dihasilkan, daripada menguranginya, seperti yang diperkirakan sebelumnya,” kata Thibado. “Tingkat perubahan resistansi yang diberikan oleh dioda menambah faktor tambahan pada daya.”

Tim menggunakan bidang fisika yang relatif baru untuk membuktikan dioda meningkatkan kekuatan sirkuit. “Dalam membuktikan peningkatan daya ini, kami menarik dari bidang termodinamika stokastik yang muncul dan memperpanjang teori Nyquist yang berusia hampir seabad,” kata rekan penulis Pradeep Kumar, profesor fisika dan rekan penulis.

Menurut Kumar, graphene dan sirkuit memiliki hubungan simbiosis. Meskipun lingkungan termal melakukan pekerjaan pada resistor beban, graphene dan sirkuit berada pada suhu yang sama dan panas tidak mengalir di antara keduanya.



Itu perbedaan penting, kata Thibado, karena perbedaan suhu antara graphene dan sirkuit, dalam suatu sirkuit yang menghasilkan daya, akan bertentangan dengan hukum kedua termodinamika. “Ini berarti bahwa hukum kedua termodinamika tidak dilanggar, juga tidak harus bertentangan di mana ‘Maxwell’s Demon’ memisahkan elektron panas dan dingin,” kata Thibado.

Tim juga menemukan bahwa gerakan graphene yang relatif lambat menginduksi arus di sirkuit pada frekuensi rendah. Ini meruoakan hal penting dalam perspektif teknologi. Karena perlatan elektronik fungsional akan lebih efisien pada frekuensi yang lebih rendah.

“Orang mungkin mengira bahwa arus yang mengalir dalam suatu resistor akan menyebabkannya bertambah panas, tetapi arus Brownian tidak. Padahal, jika tidak ada arus yang mengalir, resistor akan mendingin,” jelas Thibado. “Apa yang kami lakukan adalah mengubah rute arus di sirkuit dan mengubahnya menjadi sesuatu yang berguna.”

Tujuan tim selanjutnya adalah untuk menentukan apakah arus DC dapat disimpan dalam kapasitor untuk digunakan nanti, tujuan yang membutuhkan miniaturisasi sirkuit dan pola pada wafer silikon, atau chip. Jika jutaan sirkuit kecil ini dapat dibangun di atas sebuah chip berukuran 1-milimeter kali 1-milimeter, maka akan dapat berfungsi sebagai pengganti baterai berdaya rendah.



1 KOMENTAR