將太赫茲波轉(zhuǎn)化為直流電實(shí)現(xiàn)為手機(jī)充電

我們是不是厭煩了每天拿著電源線找插座為手機(jī)充電？好消息，科學(xué)家開發(fā)出一種設(shè)備，可以將Wi-Fi信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能，為手機(jī)充電。據(jù)美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該校物理學(xué)家們構(gòu)思出一個(gè)藍(lán)圖，他們相信有一個(gè)裝置可以將周圍環(huán)境中的太赫茲波轉(zhuǎn)化為直流電。

背景

任何發(fā)出Wi-Fi信號(hào)的裝置也會(huì)發(fā)出太赫茲波。太赫茲波是一種頻率介于微波與紅外線之間的電磁波。幾乎任何具有溫度的東西，例如我們的身體以及我們周圍無生命的物體，都會(huì)產(chǎn)生這些高頻電磁波，也稱為“T射線（T-rays）”。

我們?nèi)粘Ｉ钪校教幎加刑掌澆?，如果它們能得到利用，它們高度集中的能量有望成為一個(gè)替代的能源。我們可以想象，手機(jī)的附加裝置被動(dòng)吸收環(huán)境中的太赫茲波，并利用它們的能量為手機(jī)充電。然而，迄今為止，太赫茲波的能量一直都被浪費(fèi)掉，因?yàn)闆]有切實(shí)可行的方法來采集它們，并將它們轉(zhuǎn)化為任何可用的形式。

創(chuàng)新

近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的物理學(xué)家們構(gòu)思出一個(gè)藍(lán)圖，他們相信有一個(gè)裝置可以將周圍環(huán)境中的太赫茲波轉(zhuǎn)化為直流電。

他們的設(shè)計(jì)利用了量子力學(xué)，或者說是碳材料石墨烯的原子行為。他們發(fā)現(xiàn)，通過將石墨烯與另外一種材料（在這個(gè)案例中是氮化硼）結(jié)合到一起，石墨烯中的電子運(yùn)動(dòng)會(huì)向一個(gè)共同的方向傾斜。任何入射的太赫茲波都會(huì)“穿梭運(yùn)輸”石墨烯的電子，就像眾多小型空中交通控制器一樣，以直流電的形式從一個(gè)方向流過材料。

研究人員們將他們的研究成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展（Science Advances）》雜志上，并正在與實(shí)驗(yàn)家們合作，將他們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一個(gè)物理裝置。

麻省理工學(xué)院材料研究實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員、論文領(lǐng)導(dǎo)作者 Hiroki Isobe 表示：“我們被太赫茲波范圍內(nèi)的電磁波包圍著。如果我們可以將那個(gè)能量轉(zhuǎn)化為我們可以日常使用的能源，這將有助于應(yīng)對(duì)我們正在面對(duì)的能源挑戰(zhàn)?！?/p>

Isobe 的合著者包括：麻省理工學(xué)院物理系副教授 Liang Fu、前任麻省理工學(xué)院博士后研究員、現(xiàn)任哈佛大學(xué)化學(xué)系助理教授 Su-yang Xu。

技術(shù)

打破石墨烯的對(duì)稱

過去十年，科學(xué)家們尋找了許多方法，來采集周圍環(huán)境中的能量并將它轉(zhuǎn)化為有用的電能。他們這么做主要是通過整流器，這種裝置可以將電磁波從交流轉(zhuǎn)化為直流。

大部分的整流器都是用于轉(zhuǎn)化低頻波例如無線電波，它們采用一個(gè)帶二極管的電路來生成一個(gè)電場(chǎng)，這個(gè)電場(chǎng)可以讓無線電波以直流電的形式通過該裝置。這些整流器只能工作在一個(gè)特定的頻率下，不能達(dá)到太赫茲波的頻率范圍。

少數(shù)實(shí)驗(yàn)技術(shù)雖然已經(jīng)能夠?qū)⑻掌澆ㄞD(zhuǎn)化為直流電，但是必須在超冷的溫度下才能實(shí)現(xiàn)，而這種超冷的溫度在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)。

Isobe 想知道，在量子力學(xué)層面，一種材料自己的電子是否可以被誘導(dǎo)向著一個(gè)方向流動(dòng)，將太赫茲波轉(zhuǎn)化為直流電流，從而取代在一個(gè)裝置中施加一個(gè)外部電場(chǎng)將電磁波轉(zhuǎn)化為直流電流的方法。

這種材料必須非常潔凈，或者說無雜質(zhì)，從而使材料中的電子流過時(shí)不會(huì)在材料中產(chǎn)生不規(guī)則的散射。他發(fā)現(xiàn)，石墨烯是理想的原料。

為了引導(dǎo)石墨烯中的電子流向一個(gè)方向，他必須打破材料固有的對(duì)稱性，或者說是物理學(xué)家們所稱的“反演”。通常，石墨烯中的電子在它們之間感受到一種平等的力量，這意味著任何入射的能量都會(huì)讓電子沿著所有方向?qū)ΨQ地散射。Isobe 尋找方法以打破石墨烯的“反演”，并引發(fā)一個(gè)不對(duì)稱的電流以響應(yīng)入射的能量。

他翻閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，其他人已經(jīng)用石墨烯作過實(shí)驗(yàn)，將石墨烯放置在一層氮化硼（由硼和氮兩種原子組成的類似蜂巢的晶格）之上。他們發(fā)現(xiàn)，在這種排列中，石墨烯電子之間的力失去了平衡：靠近硼的電子感受到一定的力，而靠近氮的電子感受到一種不同的拖拽?？傮w的效果正如物理學(xué)家們所說的“斜散射（skew scattering）”，在這種機(jī)制中，電子云會(huì)使它們的運(yùn)動(dòng)向一個(gè)方向傾斜。

Isobe 對(duì)于石墨烯和下層的氮化硼等基底中的電子可能會(huì)散射的所有途徑，以及這種電子散射將如何影響任何入射的電磁波，特別是太赫茲頻率范圍的那些，進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。

他發(fā)現(xiàn)，如果石墨烯相對(duì)純凈，電子會(huì)被入射的太赫茲波驅(qū)使，向一個(gè)方向傾斜，這種傾斜運(yùn)動(dòng)生成一個(gè)直流電流。如果石墨烯中存在太多的雜質(zhì)。它們會(huì)成為電子云移動(dòng)路徑上的障礙，使這些云向所有的方向散射，而不是向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。

Isobe 解釋道：“在許多雜質(zhì)的情況下，這個(gè)傾斜的運(yùn)動(dòng)最終會(huì)變成振蕩，任何入射的太赫茲能量都會(huì)通過這種振蕩而喪失。所以我們想要一種潔凈的樣本，以有效地獲取傾斜的運(yùn)動(dòng)?！?/p>

一個(gè)方向

他們也發(fā)現(xiàn)，入射的太赫茲波能量越強(qiáng)，裝置可以轉(zhuǎn)化為直流電流的能量就越多。這意味著，轉(zhuǎn)化太赫茲波的任何裝置，應(yīng)該也包括一種將這些波在進(jìn)入裝置之前聚集的方法。

考慮到所有這些，研究人員們制定了太赫茲整流器的藍(lán)圖，這種整流器由位于一層氮化硼之上的一個(gè)石墨烯小方塊組成，像三明治一樣夾在一個(gè)天線內(nèi)，該天線將采集并聚集周圍環(huán)境中的太赫茲輻射，把信號(hào)放大到足以將其轉(zhuǎn)化為一個(gè)直流電流。

下圖中的原理圖來源于研究人員的論文。其中的綠色方塊代表著位于另一種材料方塊之上的石墨烯。紅色線代表太赫茲波。藍(lán)色三角形代表著圍繞著方塊的天線，采集太赫茲波并將這些波聚集至方塊。

Fu 表示：“除了不同的頻率范圍，這非常像一個(gè)太陽能電池，被動(dòng)地采集并轉(zhuǎn)化周圍環(huán)境中的能量?！?/p>

價(jià)值

團(tuán)隊(duì)為這款新型“高頻整流”設(shè)計(jì)申請(qǐng)了一項(xiàng)專利，而且研究人員們正在與麻省理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們合作，開發(fā)一款基于他們的設(shè)計(jì)的物理裝置。相比于之前需要工作在超冷溫度條件下的太赫茲整流器和探測(cè)器，這款裝置將能夠工作在室溫條件下。

Isobe 表示：“如果一個(gè)裝置工作在室溫條件下，我們就可以在許多便攜式應(yīng)用中使用它?！?/p>

他憧憬著，在不久的未來，太赫茲整流器可以為病人體內(nèi)的植入物無線充電，而無需手術(shù)更換植入物的電池。這樣的裝置也可以轉(zhuǎn)化周圍環(huán)境中的Wi-Fi信號(hào)，為個(gè)人電子產(chǎn)品例如筆記本電腦和手機(jī)充電。

Fu 表示：“我們正在采用一種具有某些原子層面不對(duì)稱性的量子材料，這種材料現(xiàn)在能被利用，開辟了許多可能性。”

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