这一发现颠覆了一个多世纪以来物理学的正统观念，它确定了一种新的能量形式，可以利用石墨烯从环境热量中提取。长期以来，从热平衡系统的随机波动中获取有用功一直被认为是不可能的。事实上，美国著名物理学家理查德-费曼（Richard Feynman）在 20 世纪 60 年代的一系列演讲中指出，布朗运动或原子的热运动不可能产生有用功，从而有效地阻止了进一步的探索。

研究人员发现了一种利用石墨烯从环境热量中获取能量的方法，颠覆了长期以来形成的物理学理论。这一突破具有巨大的商业潜力，特别是在无线传感器方面。

然而，费曼忽略了一些重要的东西，发表在《物理评论 E》杂志上的一项题为"利用二极管的热波动为电容器充电"的新研究证明了这一点。

论文的五位作者中有三位来自阿肯色大学物理系。据第一作者保罗-蒂巴多（Paul Thibado）介绍，他们的研究严格证明了独立石墨烯的热波动在连接到具有非线性电阻的二极管和存储电容器的电路时，确实能通过给存储电容器充电产生有用功。

支持这一发现的经验证据

科学家们发现，当存储电容器的初始电荷为零时，电路会从热环境中汲取能量为其充电。研究小组随后证明，该系统在整个充电过程中都符合热力学第一和第二定律。他们还发现，较大的存储电容器可产生更多的存储电荷，而较小的石墨烯电容可提供更高的初始充电速率和更长的放电时间。这些特性非常重要，因为它们可以在净电荷损失之前，让存储电容器有时间与能量收集电路断开连接。

这篇最新论文是在该研究小组之前两项研究的基础上发表的。第一项研究发表在 2016 年《物理评论快报》上，题为"独立石墨烯薄膜的反常动力行为"（Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes）。在该研究中，Thibado 和他的合著者确定了石墨烯独特的振动特性及其能量收集潜力。第二项研究发表在 2020 年的《物理评论 E》上，题为"来自独立石墨烯的波动诱导电流"，他们在文章中讨论了一种使用石墨烯的电路，这种电路可以为小型设备或传感器提供清洁、无限的电力。

这项最新研究更进一步，从数学上确定了一种电路的设计，这种电路能够从地球的热量中收集能量，并将其储存在电容器中，以供日后使用。

蒂巴多解释说："从理论上讲，这就是我们要证明的。"有一些众所周知的能量来源，如动能、太阳能、环境辐射能、声能和热梯度能。现在还有非线性热能。通常，人们认为热能需要温度梯度。这当然是一种重要的实用动力源，但我们发现的是一种前所未有的新动力源。这种新动力不需要两种不同的温度，因为它只存在于一个温度下。"

除蒂巴多外，共同作者还包括 Pradeep Kumar、John Neu、Surendra Singh 和 Luis Bonilla。库马尔和辛格是阿肯色大学的物理学教授，诺伊是加州大学伯克利分校的物理学教授，博尼利亚是马德里卡洛斯三世大学的物理学教授。

十年探索

这项研究代表了蒂巴多十多年来一直在研究的问题的解决方案，当时他和库马尔首次在原子水平上跟踪了独立石墨烯中波纹的动态运动。石墨烯于 2004 年被发现，是一种一原子厚的石墨薄片。二人观察到，独立石墨烯具有波纹结构，每个波纹都会随着环境温度的变化而上下翻转。

蒂巴多说："越薄的东西越灵活。只有一个原子厚度的材料，没有比它更柔韧的了。它就像一个蹦床，不断地上下移动。如果你想阻止它移动，就必须把它冷却到 20 开尔文。"

他目前开发这项技术的重点是制造一种他称之为石墨烯能量收集器（或 GEH）的设备。GEH 使用的是悬浮在两个金属电极之间的带负电的石墨烯薄片。当石墨烯向上翻转时，会在顶部电极中产生正电荷。当石墨烯向下翻转时，它在底部电极中产生正电荷，从而产生交变电流。将二极管反向接线，让电流双向流动，就能在电路中提供单独的路径，产生脉动直流电流，对负载电阻器做功。

商业应用

NTS Innovations 是一家专门从事纳米技术的公司，拥有将 GEH 开发成商业产品的独家许可。由于 GEH 电路非常小，只有纳米大小，因此非常适合在硅芯片上大规模复制。当多个 GEH 电路以阵列形式嵌入芯片时，可以产生更大的功率。它们还可以在多种环境下工作，因此对于在更换电池不方便或昂贵的地方（如地下管道系统或飞机内部电缆管道）安装无线传感器特别有吸引力。

NTS Innovations 公司创始人兼首席执行官唐纳德-迈耶（Donald Meyer）在谈到蒂巴多的最新研究成果时说道："保罗的研究让我们更加坚信，我们在石墨烯能量收集领域的发展方向是正确的。我们感谢与阿肯色大学的合作，将这项技术推向市场。"

NTS Innovations 的销售和营销副总裁 Ryan McCoy 补充说："电子行业对缩小外形尺寸、减少对电池和有线电源的依赖有着广泛的需求。我们相信石墨烯能量收集技术将对这两方面产生深远影响。