這一發現顛覆了一個多世紀以來物理學的正統觀念，它確定了一種新的能量形式，可以利用石墨烯從環境熱量中提取。長期以來，從熱平衡系統的隨機波動中獲取有用功一直被認為是不可能的。事實上，美國著名物理學家理查德-費曼（Richard Feynman）在20 世紀60 年代的一系列演講中指出，布朗運動或原子的熱運動不可能產生有用功，從而有效地阻止了進一步的探索。

研究人員發現了一種利用石墨烯從環境熱量中獲取能量的方法，顛覆了長期以來形成的物理學理論。這一突破具有巨大的商業潛力，特別是在無線傳感器方面。

然而，費曼忽略了一些重要的東西，發表在《物理評論E》雜誌上的一項題為”利用二極管的熱波動為電容器充電”的新研究證明了這一點。

論文的五位作者中有三位來自阿肯色大學物理系。據第一作者保羅-蒂巴多（Paul Thibado）介紹，他們的研究嚴格證明了獨立石墨烯的熱波動在連接到具有非線性電阻的二極管和存儲電容器的電路時，確實能通過給存儲電容器充電產生有用功。

支持這一發現的經驗證據

科學家們發現，當存儲電容器的初始電荷為零時，電路會從熱環境中汲取能量為其充電。研究小組隨後證明，該系統在整個充電過程中都符合熱力學第一和第二定律。他們還發現，較大的存儲電容器可產生更多的存儲電荷，而較小的石墨烯電容可提供更高的初始充電速率和更長的放電時間。這些特性非常重要，因為它們可以在淨電荷損失之前，讓存儲電容器有時間與能量收集電路斷開連接。

這篇最新論文是在該研究小組之前兩項研究的基礎上發表的。第一項研究發表在2016 年《物理評論快報》上，題為”獨立石墨烯薄膜的反常動力行為”（Anomalous Dynamical Behavior of Freestanding Graphene Membranes）。在該研究中，Thibado 和他的合著者確定了石墨烯獨特的振動特性及其能量收集潛力。第二項研究發表在2020 年的《物理評論E》上，題為”來自獨立石墨烯的波動誘導電流”，他們在文章中討論了一種使用石墨烯的電路，這種電路可以為小型設備或傳感器提供清潔、無限的電力。

這項最新研究更進一步，從數學上確定了一種電路的設計，這種電路能夠從地球的熱量中收集能量，並將其儲存在電容器中，以供日後使用。

蒂巴多解釋說：”從理論上講，這就是我們要證明的。”有一些眾所周知的能量來源，如動能、太陽能、環境輻射能、聲能和熱梯度能。現在還有非線性熱能。通常，人們認為熱能需要溫度梯度。這當然是一種重要的實用動力源，但我們發現的是一種前所未有的新動力源。這種新動力不需要兩種不同的溫度，因為它只存在於一個溫度下。”

除蒂巴多外，共同作者還包括Pradeep Kumar、John Neu、Surendra Singh 和Luis Bonilla。庫馬爾和辛格是阿肯色大學的物理學教授，諾伊是加州大學伯克利分校的物理學教授，博尼利亞是馬德里卡洛斯三世大學的物理學教授。

十年探索

這項研究代表了蒂巴多十多年來一直在研究的問題的解決方案，當時他和庫馬爾首次在原子水平上跟踪了獨立石墨烯中波紋的動態運動。石墨烯於2004 年被發現，是一種一原子厚的石墨薄片。二人觀察到，獨立石墨烯具有波紋結構，每個波紋都會隨著環境溫度的變化而上下翻轉。

蒂巴多說：”越薄的東西越靈活。只有一個原子厚度的材料，沒有比它更柔韌的了。它就像一個蹦床，不斷地上下移動。如果你想阻止它移動，就必須把它冷卻到20 開爾文。”

他目前開發這項技術的重點是製造一種他稱之為石墨烯能量收集器（或GEH）的設備。GEH 使用的是懸浮在兩個金屬電極之間的帶負電的石墨烯薄片。當石墨烯向上翻轉時，會在頂部電極中產生正電荷。當石墨烯向下翻轉時，它在底部電極中產生正電荷，從而產生交變電流。將二極管反向接線，讓電流雙向流動，就能在電路中提供單獨的路徑，產生脈動直流電流，對負載電阻器做功。

商業應用

NTS Innovations 是一家專門從事納米技術的公司，擁有將GEH 開發成商業產品的獨家許可。由於GEH 電路非常小，只有納米大小，因此非常適合在矽芯片上大規模複製。當多個GEH 電路以陣列形式嵌入芯片時，可以產生更大的功率。它們還可以在多種環境下工作，因此對於在更換電池不方便或昂貴的地方（如地下管道系統或飛機內部電纜管道）安裝無線傳感器特別有吸引力。

NTS Innovations 公司創始人兼首席執行官唐納德-邁耶（Donald Meyer）在談到蒂巴多的最新研究成果時說道：”保羅的研究讓我們更加堅信，我們在石墨烯能量收集領域的發展方向是正確的。我們感謝與阿肯色大學的合作，將這項技術推向市場。”

NTS Innovations 的銷售和營銷副總裁Ryan McCoy 補充說：”電子行業對縮小外形尺寸、減少對電池和有線電源的依賴有著廣泛的需求。我們相信石墨烯能量收集技術將對這兩方面產生深遠影響。