量子物理學家米卡埃爾-佩林（Mickael Perrin）利用石墨烯帶建造奈米級發電廠，將電氣設備的廢熱轉化為電力。。12 年前，當米卡埃爾-佩蘭開始自己的科學生涯時，他根本不知道自己所從事的研究領域幾年後才會引起大眾的廣泛興趣：量子電子學。

他回憶說：『當時，物理學家們剛開始談論量子技術和量子電腦的潛力。如今，這一領域已有數十家新創公司，各國政府和公司正投資數十億美元進一步開發這項技術。我們現在看到了電腦科學、密碼學、通訊和感測器領域的首批應用。”

佩林的研究開啟了另一個應用領域：利用量子效應發電，能量損失幾乎為零。為了實現這一目標，這位36 歲的科學家結合了物理學中兩個通常獨立的學科：熱力學和量子力學。

米卡爾-佩蘭。圖片來源：SNF

去年，佩蘭的研究品質及其未來應用潛力為他帶來了兩項殊榮：他不僅獲得了年輕研究人員夢寐以求的歐洲研究理事會啟動基金之一，還獲得了瑞士國家科學基金會(SNS)F Eccellenza 教授的獎學金。現在，他在Empa 領導一個九人研究小組，同時也是蘇黎世聯邦理工學院量子電子學助理教授。

在阿姆斯特丹讀完高中後，他於2005 年開始在代爾夫特理工大學攻讀應用物理學位。從一開始，Perrin 就對具體應用比理論更感興趣。

正是在師從量子電子學領域的先驅Herre van der Zant 時，佩蘭第一次體驗到了微米級和奈米級微小元件工程的魅力。他很快就意識到分子電子學帶來的無限可能性，因為根據所選分子和材料的不同，電路具有完全不同的特性，可以用作電晶體、二極體或感測器。

奈米工程的挑戰

在攻讀博士學位期間，佩林在代爾夫特理工大學的奈米實驗室潔淨室裡度過了大量時光–全身始終籠罩在白色的罩子裡，以防止毛髮或灰塵顆粒污染微型電子設備。潔淨室為製造幾奈米大小的機器提供了技術基礎（比人的頭髮直徑小約1 萬倍）。

佩蘭解釋說：”一般來說，你想建造的結構越小，你所需要的機器就越大、越貴。例如，光刻機用於在微晶片上繪製複雜的微型電路圖案。奈米加工和實驗物理學需要大量的創造力和耐心，因為幾乎總是出錯。然而，奇怪和意想不到的結果往往最令人興奮”。

博士畢業一年後，佩蘭在米歇爾-卡拉梅（Michel Calame）的實驗室獲得了一個職位。從那時起，擁有法國和瑞士雙重國籍的他就與伴侶和兩個女兒住在杜本多夫。

在Empa，這位年輕的研究員可以自由地繼續進行奈米材料實驗。一種材料很快就引起了他的特別注意：石墨烯奈米帶，一種由碳原子製成的材料，其厚度與單個原子一樣薄。這些奈米帶是由Roman Fasel 在Empa 的研究小組以最高精度製造的。佩林能夠證明這些奈米帶具有獨特的性能，可用於一系列量子技術。

同時，他開始密切注意將熱能轉化為電能。2018 年，事實證明量子效應可用於將熱能有效轉化為電能。

到目前為止，問題在於這些理想的物理特性只出現在極低的溫度下–接近絕對零度（0 開爾文；-273°C）。這與智慧型手機或微型感測器等未來潛在應用關係不大。佩林想到了利用石墨烯奈米帶來規避這個問題。與其他材料相比，石墨烯奈米帶的特殊物理特性意味著溫度對量子效應的影響要小得多，因此也更容易產生理想的熱電效應。

他在Empa 的研究團隊很快就證明，石墨烯奈米帶的量子效應即使在250 開爾文（即零下23 攝氏度）的環境下也基本保持不變。未來，該系統預計在室溫下也能工作。

未來的挑戰與野心

要讓我們的智慧型手機使用更少的電能，還有許多挑戰需要克服。極度微型化意味著不斷需要特殊元件，以確保內建系統能夠真正運作。

佩林與來自中國、英國和瑞士的同事最近共同研究發現，直徑僅一奈米的碳奈米管可以作為電極整合到這些系統中。不過，佩林估計，至少還需要15 年的時間才能大規模製造出這些精緻而高度複雜的材料，並將其整合到設備中。

“我的目標是研究出應用這項技術的基本依據。只有這樣，我們才能評估其實際應用的潛力”。

編譯來源：ScitechDaily