Efeito catraca
O efeito catraca descreve a tentativa de transformar um movimento desordenado em um movimento dirigido — assim como uma catraca traduz um movimento de vaivém em uma rotação em uma única direção.
Para a neutrinovoltaica ele é central, pois o movimento térmico no grafeno é desordenado, ao passo que a corrente desejada é dirigida.
A objeção de Feynman
A ideia é antiga e tem uma refutação famosa. Richard Feynman tratou em suas conferências de um experimento mental que remonta a Marian Smoluchowski: uma roda de pás minúscula, golpeada por moléculas de ar, ligada a uma catraca que permite apenas um sentido de rotação.
À primeira vista, a roda deveria girar e realizar trabalho — a partir de puro movimento térmico.
Feynman mostrou por que ela não o faz. A lingueta de bloqueio da catraca é ela própria tão pequena que também é golpeada pelo movimento térmico. Ela salta ocasionalmente para trás, e precisamente com a frequência necessária para que o ganho se anule. Enquanto tudo estiver à mesma temperatura, no balanço final não resta nada — a segunda lei da termodinâmica vale.
Um desnível é, portanto, necessário. É exatamente nisso que se baseia a termoeletricidade, que precisa de um lado quente e de um lado frio.
O grafeno autossustentado
É aqui que começa o trabalho de Paul Thibado, na University of Arkansas.
Uma camada isolada de grafeno não é plana. Ela se ondula na terceira dimensão, e essas ondas se movem — à temperatura ambiente, continuamente. Sob o microscópio de tunelamento isso pode ser observado: regiões de poucos nanômetros saltam de um lado para outro entre duas formas de curvatura.
Notável nisso é o tipo do movimento. Ele não é o tremor uniforme que se esperaria, mas consiste em muitas pequenas oscilações com saltos grandes ocasionais. O grupo de Thibado o descreve como movimento de Lévy.
A montagem
O grupo de Thibado acoplou grafeno autossustentado a um circuito e publicou em 2020, na Physical Review E, a medição de uma corrente que resultaria desses movimentos. Como retificadores serviram diodos.
A interpretação é discutida no meio especializado. A objeção é a mesma que Feynman formulou: também os diodos têm uma temperatura, também eles produzem ruído, e uma comprovação limpa precisa mostrar que a corrente medida não provém desse ruído. O grupo de Thibado apresentou a esse respeito vários trabalhos e argumenta que o movimento do grafeno não corresponde ao caso simples de equilíbrio.
A questão permanece em aberto até hoje. O que foi medido é incontestado; a que isso se deve segue sendo investigado.
Por que o grupo se refere a isso
O Neutrino® Energy Group apresenta os trabalhos de Thibado como um entre vários blocos construtivos. A relação é evidente: se do movimento próprio de uma rede de grafeno se pode obter corrente dirigida, então esse é exatamente o processo que a folha de muitas camadas de grafeno e silício deve realizar em grande escala.
A equação mestra descreve essa contribuição como um canal entre vários — ao lado dos momentos de partículas, dos múons cósmicos e das oscilações eletromagnéticas.
A assimetria como chave
A todos os processos de catraca é comum uma coisa: eles precisam de uma assimetria. Um sistema simétrico não pode distinguir uma direção; não há razão para que a carga flua antes para a esquerda do que para a direita.
É precisamente aqui que está o sentido do empilhamento. Doze camadas alternadas de duas substâncias diferentes formam uma rede que tem, em uma direção, um aspecto diferente do que tem na direção contrária — e o grafeno dopado reforça seletivamente essa desigualdade.
Se essa assimetria basta para fornecer corrente na escala desejada é a questão propriamente dita de todo o projeto.
Termos relacionados
- Paul Thibado — as medições
- Grafeno e grafeno dopado
- Termoeletricidade — o caminho por meio de um desnível
- A equação mestra
Fontes
- P. M. Thibado et al.: Fluctuation-induced current from freestanding graphene, Physical Review E 102, 042101 (2020).
- R. P. Feynman: The Feynman Lectures on Physics, volume I, capítulo 46 («Ratchet and pawl»).