【ナノテク】二次元材料グラフェンから無尽蔵のクリーンエネルギーを取り出せる可能性
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軽くて薄く、そして強靱な素材として知られるグラフェン。この2次元の原子シートを用いることで無尽蔵にエネルギーを得られる可能性があることが、米大学の研究で明らかになった。鍵を握るのは、グラフェンの「ゆらぎ」だ。
ミクロの世界は、われわれを「ゆらぎ」の世界へといざなってくれる。液体の中にある微粒子を顕微鏡で見てみると、それらは生物のようにゆらゆらと不規則にうごめいて見えるはずだ。その理由は、熱運動する原子や分子が、溶媒中の微粒子と常にぶつかり合っているからだという。
この無尽蔵の「ゆらぎ」は、もしかすると人類に究極のクリーンエネルギーを提供してくれる鍵となるかもしれない。米アーカンソー大学の物理学者チームが、グラフェンの持つ特徴的な「ゆらぎ」から、エネルギーを取り出すことができるという強力な証拠を発見したのだ。
■2次元グラフェンの存在を可能にする「ゆらぎ」
鉛筆の芯の材料であるグラファイト（黒鉛）から生まれたことで知られるグラフェンは、軽くて薄く、そして強靱なことから「夢の素材」とも称される。これは蜂の巣のような六角形の構造が規則正しく平面上に繰り返された、2次元の原子シートである。ところがグラフェン自体、そもそも物理的に存在不可能な構造であるはずなのだという。
「グラフェンのように原子1個分の厚みをもつ平坦な素材とは、本質的にとても不安定で、超低温でも溶融してしまうはずなのです」と、米アーカンソー大学の物理学者ポール・ティバード教授は『WIRED』日本版の取材に説明する。これは「マーミン=ワグナーの定理」として知られている。「ですから、2004年のグラフェン発見は非常に驚くべきことでした」
ティバードをはじめとする研究チームは、2010年より“規格外の物質”であるグラフェンが存在しうる物理学の抜け穴を探し続けてきた。その結果、グラフェンは完全に平坦ではありえないことがわかってきたという。「2次元の素材は、存在するために波形で構成されていなければならないはずです」と、ティバードは言う。それも静止した状態ではなく、常に動き回るダイナミックなそれだ。つまりグラフェンは、熱運動により常に「ゆらいで」いるのである。
「この動きをブラウン運動といいます。実際にわたしたちの目でグラフェンの表面を見ることができたとすれば、海の表面のようだと形容できることでしょう。それらの波は不規則に上下したり、周期的に動いたりし、ときには表面を横切る“はぐれ波”のようなものもあります」
彼らは、走査トンネル顕微鏡を用いた実験と、シミュレーションを用いた理論的研究を経て、原子1個分のスケールでグラフェンの上下運動を監視できる技術を開発。まるで海面で上下するブイのように動くグラフェンの高さと時間データセットから速度を計算し、速度分布率を作成した。
するとこのデータから、グラフェンは思いもよらないスピードで上下していることがわかった。それらの動きはブラウン運動の「ゆらぎ」に加えて、さらに大きい高さをもつものだった。物理学ではこの現象をレヴィ飛翔と呼んでいるが、この非常に珍しい現象が、グラフェンでは毎秒何百回も起こっていたのだという。
「この謎を解明するのがわれわれのブレークスルーの鍵でした」と、ティバードは説明する。「最先端の分子動力学シミュレーションによって、グラフェンは単に振動しているだけではなく、波形に湾曲したグラフェンが凸面から凹面に反転することがわかったのです」
ひとつの波形には数千の原子が含まれており、反転時にはそれらがすべて一団となって動く。この非常に迅速に起こる反転が、グラフェンの上下運動が高速で起こる現象のメカニズムなのだ。これらが詳しく説明されている一連の研究内容は学術誌「Physical Review Letter」にて発表されている（ティバード教授は同論文のPDFファイルを公開している）
>>2につづく
https://wired.jp/2017/12/19/energy-from-graphene/ ■エネルギーのブレイクスルー
「原子1個分の厚さで“動く波形”をもつグラフェンは、その波形を反転させます。これはブラウン運動の“組織化された”動きであり、新しい発見です。この現象はごく微小な素材でしか起こらず、より厚い物質では固すぎて不可能なのです」
研究チームの計算によると、ひとつの反転は潜在的に10ピコワット（ピコワット＝1兆分の1ワット）の電力を生み出せる可能性がある。グラフェンは自然にアレイを形成することから、10ミクロン（ミクロン＝100万分の1メートル）四方の面積さえあれば、腕時計を動かすのに十分なパワーが得られる計算になるという。
「この運動エネルギーをいかに変換し、電荷として蓄積するのかは技術的な課題で、それにはナノテクノロジーが必要です。このシステムを大量に生産すると、1平方メートルで10万ワットもの電力が得られることになる。これは風力や太陽光発電に匹敵するものです」
ティバード教授は、負に帯電したグラフェンのシートを2つの金属電極のあいだに浮遊させることでエネルギーを電気に変換できるようなデヴァイスを構想している。グラフェンが凸状になると上部電極に正電荷が誘起され、凹状に反転すると下部電極が充電されて、交流電流が生成されるといった仕組みだ。(以下省略) グラフェンのゆらぎ運動エネルギーを電気に変換して取り出す
→ゆらぎが減って電気が取り出せなくなっておしまい そのグラフェンの２次元運動を強制的に抑止させようとすると発熱するとかないわけ？ 要約すると熱電変換システムになり得るってこと？
大規模発電だと蒸気タービンより効率低そうだけど、
体温程度で発電できるとかなら世界が変わるね。 メタンハイドレードみたいに、いつまで経っても実用化されないんだろうな。
そのうち始まる「グラフェン詐欺」 グラフェンからエネルギー奪ったら
グラフェンの温度が下がるんじゃないの？
温度が下がったら周囲から熱を奪う
結局、周囲の熱をエネルギーに変えてるだけじゃないの？
そうなると無限に温度を下げられない以上
とりだせるエネルギーも限界があるんじゃないの？ それだったら、永遠に温度差があれば温度差発電が成立するのと同じやねｗ >>9
つまりは、熱電変換素子ってことさね
変換効率が高いんじゃまいか グラフェンのブラウン運動を電気に変換するということか
熱エネルギーは太陽から半永久的に供給されるから
熱電変換という意味では太陽の寿命程度には無尽蔵といえなくもないかも
でも熱的に外部から遮断されていたら成り立たない話だから
グラフェンから無尽蔵にエネルギー取り出すというのは語弊があるな 俺は毎日２次元嫁からパワーを貰ってる(´・ω・`) これ、温度差とかじゃなくて、単に熱さえあれば電気に変換できるってこと？
エントロピーというか、熱力学第二法則的にありなのこれ？？？ 発電にこだわってるようだが
熱ノイズで波長が狂うんなら
次世代の薄型使い捨てカイロという発想はだめか？ >>19
だったら夢の冷却装置だなw
＞この運動エネルギーをいかに変換し、電荷として蓄積するのかは技術的な課題
このプロセスでかなりの制限が出てくるんじゃね？ 普通のただ粒子のブラウン運動からエネルギーが取り出せるの？>>1
そういうことだろｗ >>19
外部から熱を加えるならエネルぎ保存則からは逸脱しない。
ただ、それだと加えたエネルぎ分しか電気に変わらないので
大した量にはならない。 本当に三菱鉛筆が三菱グループのトップになる日が雇用とは…・ ゆらぎのエネルギー論【新物理学選書】 (岩波オンデマンドブックス)
関本 謙
固定リンク: http://amzn.asia/6cWuQV8 >>6 >>14
つまり、分子の熱運動を直接電気に変換できるようになるかも知れないということか。
記事の見通し通りに実用化できるなら、従来のゼーベック効果型熱電発電に比べて
圧倒的な効率を実現できるわけで、とてつもない技術的ブレークスルーになるのは間違いないな。
電池で駆動する大半の電化製品が電池交換無しで動き続けるようになるかも知れない。
環境熱を電気に変換するので、冷凍倉庫みたいな施設は電気消費地ではなくて、むしろ発電設備にできるかも知れない。
実用化出来るならね。 よくわからんが一昔あったエントロピーエンジンみたいな感じになるんか？ アーカンソーのクソ田舎といえど物理学者が永久機関作ろうとは思わないだろうから、
例によって雑誌記者が誤解して変に要約しちゃったな？
ナノマシンのエネルギー源として使えるかもね。 これ使って永久に発光し続ける照明が出来るだけで、
今迄照明に使ってた電気を他に使えるようになって、人間は楽になりそうだ。 >>23
保存則(熱力学第一法則)の問題じゃなくてさ、
質の低いエネルギー(熱)を質の高いエネルギー(電気)に変えられちゃうのが
熱力学第二法則的にやばいんじゃ？っていう話。 >>39
原子一個分の動きに圧力を受けて反応する圧電素子があるならな そもそもエネルギーなんて消えてなくなるようなものじゃなく
グルグル循環してるだけだしな
いかに小型のデバイスで利用しやすい電力に変換出来るかが肝なわけで 既存の熱電変換材料と同じで、結局は効率と耐久性の問題 >>44
アインシュタインの光電効果にも同じことを言うの？
太陽電池が実用化される前の段階で 光電効果は実際に電子が放出されてからの発表
これは単なるたられば >>38
熱力学の第二法則は、熱をすべて仕事に変えることはできないと述べている
それを許すと低温熱源から高温熱源に熱が自然に移動できることになって
第2種永久機関が実現してしまう
このグラフェン発電の場合は効率100％にはならないだろうし
仮に効率100％で熱（グラフェンの分子運動）を電気に変換できたとしても
外部からさらに熱を投入しないかぎり熱を失ったグラフェンは
静止して分解してしまうので第二法則に抵触することはないと思う 熱を電力に変換できるとしたら
クーラーできるんじゃね！ グラフェンの特殊なブラウン運動の様子を見つけただけで物理学的には十分な発見なはずなんだが
エネルギー取り出せますとか無理やり実用性をアピールしなければいけない世知辛い世の中になりました 原子の運動をエネルギーに変換できたら凄いだろうね。
エネルギーを取り出した後の物質は温度が下がるのかな？ >>27
機器自体がとてつもない省電力にしないと話にならんだろ。そもそもそんな分子の振動が発する電気量なんてたかが知れてる。
分子の振動から電力を取り出すなんてぶっちゃけ熱電発電だろ。 ブラウン運動発電というアイデアは昔からあるが、
ブラウン運動がマクロに出て来るこれなら実用可能かも……ということか。
第２種永久機関が実現するなら、
エネルギー源より先に冷却装置として実用化される気がする。 溝切った板の上ならブラウン運動も方向性を持ちそうだとは思うエネルギー取れるか知らんがな 無料で独自ドメインを多数取得＆運用する方法
https://ryoma.space >>50
だな
物質の特殊な結合の研究の範疇なら十分すごい発見なのに、新たな発電材料みたいな見出しだと残念な研究に見える >>48
分子運動が静止するというのは絶対零度ということでは？
完全に断熱して環境からの熱転移を防ぎでもしない限り、そこまで温度が下がることは有り得ないと思うが。 体温で発電して動く腕時計ならもうあったと思うけど
大規模発電に使えるくらいの効率出るならすごそう ①1の記事にグラフェンは振動しないと形を保てないと書いてある
②グラフェンの振動からエネルギーを取り出すとグラフェンの振動を乱す 凹凸の最小単位は、どのくらいのサイズなんだろうな？
その最小サイズのグラフェンを （ で表現するとして、
帯電させた ( が振動すれば電磁波が発生するはず。
＿ ＿ ＿ ＿
|( | → | )| → |( | → | )|
￣ ￣ ￣ ￣
この電磁波を検出するのが次の段階だろう。 レヴィ分布は非平衡・非線形現象を記述する分布として近年注目されている。レヴィ分布は特性指数が 2 以下でガウス分布より裾野の広いベキ乗分布である。レヴィ分布に従うランダム・ウォークはレヴィ飛翔やレヴィ歩行として知られている。 統計学および確率論において、レヴィ分布(英:Lévy distribution)は、非負な確率変数に関する
連続確率分布である。en:Paul Pierre Lévyにちなんで名づけられた。
レヴィ分布は、安定な分布のなかでも解析表現可能な確率密度関数を有する数少ない
分布のひとつである。 グラフェンを大面積化しないとたいした電力は取れないだろうけど
メートルスケールのグラフェンを電極の間に挟んで
サスペンド状態にすることなんて不可能なんじゃねーの ＞これは風力や太陽光発電に匹敵するものです」
じゃ太陽光でいいじゃん 永久機関と言うより、熱エネルギーを運動エネルギーに変換しとるだけだろ。 人間の体の原子のブラウン運動を揃えると、もしかしたら凄いスピードで飛べるんじゃね。 つまりカシミール効果をエネルギーで取り出せるってことじゃねーの 鉱石ラジオ的なもんだろ
どうせ大したエネルギーは得られんｗ ブラウン運動なんてグラフェンじゃなくても何でも起こる一般的なもの
そしてそこからエネルギーを取り出すのは非常に困難、それはグラフェンも同様
なんでこんなゴミに皆が興味を示すのか疑問
アホなのか するとこのデータから、グラフェンは思いもよらないスピードで上下していることがわかった。
それらの動きはブラウン運動の「ゆらぎ」に加えて、さらに大きい高さをもつものだった。
物理学ではこの現象をレヴィ飛翔と呼んでいるが、この非常に珍しい現象が、
グラフェンでは毎秒何百回も起こっていたのだという
この辺読めてないアホが多いようだね https://en.wikipedia.org/wiki/L%C3%A9vy_flight
Lévy flight って、日本語 Wikipedia に項目が無いんだな。
アラビア語やらペルシャ語やらにも項目があるのに。 >>72
夜でも使える
風なくても使える
ただ1平方メートルで10万ワット発電したら周囲の温度どうなっちゃうんだろう ブラウン運動からエネルギーを取り出すのは難しい
ブラウンラチェットってやつだな この話のよくわからないところは微小な分子や原子の
運動エネルギー＝熱エネルギーを仕事を介入して変換しているわけだから
グラフェンであろうとそこからエネルギーを取り出せば
グラフェンの温度は低下するので、極微量のエネルギーしか取り出せないのでは？
というところです
グラフェンをある程度の面積に敷き詰めてエネルギーを取り出し
低下した温度は地熱から補充していくとかそういう話なのですかね
発電所などのようにモノを燃やす必要が無いので
その点クリーンなエネルギーとなる可能性があるというのは良いと思いました ■ このスレッドは過去ログ倉庫に格納されています
