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Modelo da estrutura do grafeno
A obtenção de energia a partir de flutuações aleatórias em sistemas em equilíbrio térmico tem sido um desafio de longa data. Agora, o grafeno deu uma ajuda.
Quando um sistema está em equilíbrio térmico, as partículas estão constantemente em movimento devido à sua energia térmica. Movem-se aleatoriamente e colidem umas com as outras, mas a distribuição de energia permanece estável.
O desafio de aproveitar a energia deste movimento desordenado reside em canalizar esta aleatoriedade energética para um resultado controlado e útil. Foi exatamente isso que a equipa de Paul Thibado, da Universidade do Arkansas, fez, encontrando uma forma de aproveitar a energia das flutuações térmicas no grafeno.
“Penso que as pessoas tinham algum receio do tema por causa de Feynman. Por isso, toda a gente disse: ‘Não vou tocar neste assunto’. Mas a questão continuava a exigir a nossa atenção”, justificou o investigador, citado pelo Interesting Engineering.
A hipótese de Richard Feynman
Esta aventura científica começou com uma atitude audaz: a de questionar a hipótese concebida pelo físico Richard Feynman, na década de 1960.
Na altura, o cientista afirmava que era impossível extrair algum trabalho útil do movimento browniano, especialmente quando os sistemas estavam à mesma temperatura (equilíbrio térmico). No entanto, a equipa de Thibado descobriu algo inesperado que tinha passado despercebido até então.
O grafeno forma naturalmente ondulações na sua superfície, que se comportam como pequenas ondas que se movem para cima e para baixo em resposta a alterações na temperatura circundante.
Neste estudo, os investigadores conceberam um circuito para extrair energia destas ondulações, constituído por uma junção seguida de dois díodos ligados em oposição a uma resistência não linear. Um díodo é um componente eletrónico que permite que a corrente flua apenas numa direção.
Esta configuração foi escolhida para ultrapassar a condição estabelecida pela segunda lei da termodinâmica, que diz que a energia útil não pode ser recolhida quando o circuito e as ondulações estão em equilíbrio térmico, mesmo que utilizemos um díodo.
Ora, utilizando a configuração única com dois díodos, a equipa descobriu que podia abrandar o processo.
No fundo, à medida que o circuito interage com as partículas em movimento browniano, quebra temporariamente o equilíbrio, permitindo o fluxo de corrente entre os díodos e o carregamento dos condensadores de armazenamento. Todo este processo ocorre respeitando a primeira e a segunda leis da termodinâmica.
Thibado quer agora ir além da teoria e construir uma aplicação prática conhecida como Graphene Energy Harvester (GEH), uma tecnologia que tem como objetivo aproveitar a flexibilidade única do grafeno, que lhe permite captar energia do ambiente com o potencial de revolucionar as soluções de energia sustentável.
O artigo científico, com as mais recentes descobertas, foi publicado este mês na Physical Review E.
O grafeno desafia os físicos e não a física.