石墨烯是否会变成一种神奇的多功能元素物质以多种姿态出现，并有可能解决许多独特的问题？

石墨烯是否会变成一种神奇的多功能元素物质（有点像硅）以多种姿态出现，并有可能解决许多独特的问题？只有时间才能证明，但现在的迹象是有利的。

首先，快速介绍一下石墨烯的背景。它是一层一原子厚的碳原子，以二维六边形晶格排列。因此，石墨烯是已知最薄的材料，但却非常坚固（大约比钢铁强200倍）。它是热和电的优良导体，并具有有趣的光吸收能力。2004年，曼彻斯特大学的安德烈-盖姆和康斯坦丁-诺沃塞洛夫对这种材料进行了分离和表征，他们因对这种材料的研究而于2010年获得诺贝尔物理学奖。

现在，两项不相关的研究工作正在展示它如何在能量收集方面发挥作用。首先，阿肯色大学的一个物理学家团队已经成功开发出一种能够捕捉石墨烯的热运动并将其转化为电流的电路。从石墨烯中收集能量的想法是有争议的，因为它反驳了传奇物理学家理查德-费曼（Richard Feynman）的论断，即原子的热运动其被称为布朗运动，不能做功。

然而，根据物理学教授和首席研究员Paul Thibado的说法，石墨烯的热运动事实上在室温下确实能在电路中诱导出交流电（ac），这一成就被认为是不可能的。他的小组用两个二极管构建了他们的电路，用于将交流电转化为直流电，从而使电流双向流动，并在电路中提供单独的路径，以产生一个脉冲直流电，在负载电阻上执行工作（图1）。

 

1. 这张带有能量屏障图的电路模型草图是基于石墨烯采集原理的深层物理学的简单表现。（来源：阿肯色大学）

数值模拟表明，系统达到热平衡，随机热力学提供的平均热和功的速率很快趋于零。但是，功率是由负载电阻耗散的，其时间平均值正好等于热浴提供的功率。确切的功率公式与Nyquist的噪声功率公式相似，只是二极管电阻的变化率大大提升了输出功率，而石墨烯的运动则使功率谱向低频转移。

在他们的安排中，石墨烯film被安装在standoffs上，以便扫描隧道显微镜（STM）尖端可以接近它，STM尖端-样品结被纳入到所示的电路中（图2）。样品与地隔离，并连接到两个二极管;尖端-样品结作为一个可变电容器。同时监测隧道电流、二极管1电流（D1C）和二极管2电流（D2C）。

 

2. 图示为当针尖穿过电子时获得的扫描隧道显微镜（STM）数据集。（a） 显示STM尖端、样品、偏置电压、电流表和二极管布置的电路图。（b） 波纹状态下的石墨烯片的草图和石墨烯形状变化的说明。（c）石墨烯的高度波动。（d）独立石墨烯和刚性石墨烯的STM隧道电流与时间的关系。（e） 独立和刚性石墨烯的隧道电流与设定点电流的标准差。（来源：阿肯色大学）

这种二极管排列方式用于能量收集，但在这里，它用于将石墨烯诱导的电流与为电隔离STM供电的电池隔离。在2纳米或更小的尖端采样距离，隧道电子主导电流；对于更大的距离，位移电流占主导地位。

显然，这项工作涉及到激烈而深奥的物理学知识，他们发表在APS物理评论E上的论文 “Fluctuation-induced current from freestanding graphene ”中对此进行了解释，虽然是在付费墙后面，但也发布在这里（这里还有一个简短的简单视频动画）。

坦率地说，尽管发表的论文中有完整的分析，但这里还是需要一些信仰的飞跃，尤其是Thibado教授还用 “基于石墨烯的能量收集电路可以并入芯片，为小型设备或传感器提供清洁的、无限的、低电压的电源 ”等乐观的说法来宣传他们的研究。但你永远不知道--在物理学和技术进步方面，应该 “永远不要说永远”。

麻省理工学院的石墨烯发现

在一个不相关的发展中，麻省理工学院（MIT）材料研究实验室的一个团队已经构思出一种方法来收集从微波到太赫兹波段的射频能量。分析研究了石墨烯的物理学和量子力学行为的假定限制，以及克服这些限制的方法。他们发现，通过将石墨烯与另一种材料--在这种情况下，氮化硼--结合起来，石墨烯中的电子应该会向一个共同的方向倾斜运动，从而产生电流流。

虽然之前的实验技术已经能够将太赫兹波转化为直流电，但它们只能在超低温下进行，这显然限制了它们的实际应用。相反，首席研究员Hiroki Isobe开始了一项研究，看看是否可以在量子力学层面上诱导材料自身的电子向一个方向流动，以便将传入的电磁能波引导成直流电流。所用的材料必须没有杂质，这样其中的电子才会流动，而不会散落到材料的不规则处，而石墨烯是一种有吸引力的材料。

但这只是起点。要引导石墨烯的电子向一个方向流动，需要 “打破 ”材料的固有对称性。这样一来，电子在各个方向上都会感受到同等的力量，也就是说，任何传入的能量都会随机散射。其他人曾对石墨烯进行实验，将其置于氮化硼层之上，这样石墨烯电子之间的力就失去了平衡--靠近硼的电子感受到一种力，而靠近氮的电子则感受到不同的拉力。

这种 “偏斜散射 ”可以产生有用的电流流。研究团队设想的太赫兹整流器由一小块石墨烯方块组成，位于氮化硼层之上。它将被夹在天线内，收集和集中环境太赫兹辐射，将其信号提升到足以将其转换为直流电流（图3）。

 

3. 基于二维材料的整流器示意图。在这种设置中，整流后的直流电是横向检测入射电场的，这对降低噪声是有利的。天线连接在两侧，可以收集更多的辐射功率，提高灵敏度。（来源：麻省理工学院）

该团队已经为他们新的 “高频整流 ”设计申请了专利，在他们的Science Advances论文 “High-frequency rectification via chiral Bloch electrons ”以及补充材料中都有描述。读了这两篇论文后才发现，这只是一个极其深入的理论分析（我是说深入，因为模型、方程、偏导数和积分的数量是惊人的）。还没有真正制造出任何设备。但不用担心--研究人员正在与麻省理工学院的实验物理学家合作，根据他们的见解和分析开发一种物理装置。
编辑：lyn