Среда, 21 февраля, 2024
ДомойФизикаНаноэлектростанции: превращение тепла в энергию с помощью графеновых лент

Наноэлектростанции: превращение тепла в энергию с помощью графеновых лент

- Advertisement -

Новаторская работа Микаэля Перрена в области квантовой электроники направлена ​​на выработку электроэнергии с минимальными потерями и повышение энергоэффективности в электронике с использованием новаторских применений графеновых нанолент. Его исследования, отмеченные престижными наградами, направлены на революцию в практическом применении квантовых технологий. Фото: SciTechDaily.com

Квантовый физик Микаэль Перрен использует графен ленты для сборки наномасштаб электростанции, которые превращают отходящее тепло электрооборудования в электричество.

Когда Микаэль Перрен начал свою научную карьеру 12 лет назад, он понятия не имел, что проводит исследования в области, которая всего несколько лет спустя привлечет широкий общественный интерес: квантовой электронике.

«В то время физики только начинали говорить о потенциале квантовых технологий и квантовых компьютеров», — вспоминает он. «Сегодня в этой области существуют десятки стартапов, а правительства и компании инвестируют миллиарды в дальнейшее развитие технологии. Сейчас мы видим первые приложения в области информатики, криптографии, связи и датчиков».

Исследования Перрена открывают еще одну область применения: производство электроэнергии с использованием квантовых эффектов с практически нулевыми потерями энергии. Чтобы добиться этого, 36-летний ученый объединяет две обычно отдельные дисциплины физики: термодинамику и квантовую механику.

Микаэль Перрен. 1 кредит

Признание совершенства

В прошлом году качество исследований Перрена и их потенциал для будущего применения принесли ему две награды: он получил не только один из стартовых грантов ERC, которые так востребованы молодыми исследователями, но и профессорскую стипендию Eccellenza. Швейцарский национальный научный фонд (SNS)F. Сейчас он возглавляет исследовательскую группу из девяти человек в Empa, а также является доцентом кафедры квантовой электроники в ETH Zurich.

Путешествие по физике

Перрен говорит нам, что он никогда не считал себя обладателем природного дара к математике. «В основном любопытство подтолкнуло меня в сторону физики. Я хотел лучше понять, как устроен мир вокруг нас, и физика предлагает отличные инструменты для этого». После окончания средней школы в Амстердаме в 2005 году он начал изучать прикладную физику в Делфтском технологическом университете (TU Delft). С самого начала Перрин больше интересовался конкретными приложениями, чем теорией.

Именно во время учебы у Херре ван дер Занта, пионера в области квантовой электроники, Перрен впервые испытал увлечение созданием крошечных устройств на микро- и наноуровне. Вскоре он осознал безграничные возможности молекулярной электроники, поскольку схемы имеют совершенно разные характеристики в зависимости от выбранных молекул и материалов и могут использоваться в качестве транзисторов, диодов или датчиков.

Проблема наномасштабной инженерии

Во время подготовки к докторской диссертации Перрин провел много времени в чистой комнате нанолаборатории Делфтского технического университета, постоянно облаченный в белый комбинезон, чтобы предотвратить загрязнение миниатюрной электроники волосами или частицами пыли. Чистая комната обеспечила технологическую инфраструктуру для создания машин размером в несколько нанометров (примерно в 10 000 раз меньше диаметра человеческого волоса).

«Как правило, чем меньше конструкция, которую вы хотите построить, тем больше и дороже машина, которая вам понадобится для этого», — объясняет Перрин. Например, литографические машины используются для создания рисунков на микрочипах сложных мини-схем. «Нанотехнологии и экспериментальная физика требуют большого творчества и терпения, потому что почти всегда что-то идет не так», — говорит Перрин. «Однако именно странные и неожиданные результаты часто оказываются самыми захватывающими».

Графен – чудо-материал

Через год после получения докторской степени Перрен получил должность в Empa в лаборатории Мишеля Калама, эксперта по интеграции квантовых материалов в наноустройства. С тех пор Перрен, гражданин Франции и Швейцарии, живет в Дюбендорфе со своим партнером и двумя дочерьми.

«Швейцария оказалась для меня хорошим выбором по нескольким причинам», — говорит он. «Исследовательская инфраструктура не имеет себе равных». Empa, ETH Zurich и исследовательский центр IBM в Рюшликоне предоставляют ему все необходимое для производства наноструктур, а также измерительные приборы для их тестирования.

«Кроме того, я любитель активного отдыха. Я люблю горы и часто гуляю и катаюсь на лыжах со своей семьей». Перрин тоже заядлый скалолаз. Иногда он на несколько недель занимается скалолазанием в отдаленных долинах, часто во Франции, стране происхождения его семьи.

В Empa этот молодой исследователь имел возможность продолжать экспериментировать с наноматериалами. Вскоре его особое внимание привлек один материал: графеновые наноленты, материал, состоящий из атомов углерода и имеющий толщину отдельных атомов. Эти наноленты производятся с высочайшей точностью группой Романа Фазеля в компании Empa. Перрину удалось показать, что эти ленты обладают уникальными свойствами и могут быть использованы для целого ряда квантовых технологий.

В то же время он начал пристально интересоваться преобразованием тепла в электрическую энергию. В 2018 году было фактически доказано, что квантовые эффекты можно использовать для эффективного преобразования тепловой энергии в электричество.

До сих пор проблема заключалась в том, что эти желательные физические свойства проявляются только при очень низких температурах – близких к абсолютный ноль (0 Кельвина; -273°С). Это не имеет большого значения для потенциальных будущих приложений, таких как смартфоны или минисенсоры. Перрену пришла в голову идея обойти эту проблему с помощью графеновых нанолент. Их особые физические свойства означают, что температура оказывает гораздо меньшее влияние на квантовые эффекты – и, следовательно, на желаемые термоэлектрические эффекты – чем в случае с другими материалами.

Его группа в Эмпе вскоре смогла продемонстрировать, что квантовые эффекты графеновых нанолент в значительной степени сохраняются даже при 250 Кельвинах, то есть -23°C. Ожидается, что в будущем система будет работать и при комнатной температуре.

Будущие вызовы и амбиции

Еще предстоит преодолеть множество проблем, прежде чем технология позволит нашим смартфонам потреблять меньше энергии. Чрезвычайная миниатюризация означает, что для обеспечения реальной работы построенных систем продолжают требоваться специальные компоненты.

Перрен вместе с коллегами из Китая, Великобритании и Швейцарии недавно показал, что углеродные нанотрубки диаметром всего один нанометр могут быть интегрированы в эти системы в качестве электродов. Однако, по оценкам Перрена, пройдет еще как минимум 15 лет, прежде чем эти деликатные и очень сложные материалы можно будет производить в больших масштабах и включать в устройства.

«Моя цель — разработать фундаментальную основу для применения этой технологии. Только тогда мы сможем оценить его потенциал для практического использования».

Исходная ссылка

- Advertisement -

Популярное по теме