Le transfert de chaleur à travers une seule molécule a été mesuré pour la première fois par une équipe internationale de chercheurs dirigée par l'Université du Michigan.

Cela pourrait être une étape vers l'informatique moléculaire - construire des circuits à partir de molécules plutôt que de les découper dans du silicium afin de maximiser la loi de Moore et de créer les ordinateurs conventionnels les plus puissants possibles.

La loi de Moore a commencé comme une observation que le nombre de transistors dans un circuit intégré double tous les deux ans, doubler la densité de puissance de traitement. L'informatique moléculaire est largement considérée comme la fin du jeu de la loi de Moore, mais de nombreux obstacles se dressent sur le chemin, dont l'un est le transfert de chaleur.

"La chaleur est un problème dans l'informatique moléculaire parce que les composants électroniques sont essentiellement des chaînes d'atomes reliant deux électrodes. À mesure que la molécule devient chaude, les atomes vibrent très rapidement, et la ficelle peut se casser, " a déclaré Edgar Meyhofer, U-M professeur de génie mécanique.

Jusqu'à maintenant, le transfert de chaleur le long de ces molécules n'a pas pu être mesuré, encore moins contrôlé. Mais Meyhofer et Pramod Reddy, également professeur de génie mécanique à l'U-M, ont mené la première expérience d'observation de la vitesse à laquelle la chaleur circule à travers une chaîne moléculaire. Leur équipe comprenait des chercheurs du Japon, Allemagne et Corée du Sud.

"Alors que les aspects électroniques de l'informatique moléculaire sont étudiés depuis 15 ou 20 ans, les flux de chaleur ont été impossibles à étudier expérimentalement, " Reddy a dit. " La chaleur plus rapide peut se dissiper des jonctions moléculaires, les futurs dispositifs informatiques moléculaires les plus fiables pourraient être."

Meyhofer et Reddy ont développé la capacité de faire cette expérience depuis près d'une décennie. Ils ont développé un appareil de mesure de la chaleur, ou calorimètre, qui est presque totalement isolé du reste de la pièce, lui permettant d'avoir une excellente sensibilité thermique. Ils ont chauffé le calorimètre à environ 20 à 40 degrés Celsius au-dessus de la température ambiante.

Le calorimètre était équipé d'une électrode en or avec une pointe de taille nanométrique, environ un millième de l'épaisseur d'un cheveu humain. Le groupe U-M et une équipe de l'Université Kookmin, visiter Ann Arbor depuis Séoul, Corée du Sud, préparé une électrode d'or à température ambiante avec un revêtement de molécules (chaînes d'atomes de carbone).

Ils ont rapproché les deux électrodes jusqu'à ce qu'elles se touchent, qui a permis à certaines chaînes d'atomes de carbone de se fixer à l'électrode du calorimètre. Avec les électrodes en contact, la chaleur s'écoulait librement du calorimètre, tout comme un courant électrique. Les chercheurs ont ensuite lentement séparé les électrodes, de sorte que seules les chaînes d'atomes de carbone les reliaient.

Au cours de la séparation, ces chaînes ont continué à se déchirer ou à tomber, l'un après l'autre. L'équipe a utilisé la quantité de courant électrique circulant à travers les électrodes pour en déduire le nombre de molécules restantes. Des collaborateurs de l'Université de Constance en Allemagne et de l'Université d'études supérieures de l'Institut des sciences et technologies d'Okinawa au Japon avaient calculé le courant attendu lorsqu'il ne restait qu'une molécule, ainsi que le transfert de chaleur attendu à travers cette molécule.

Lorsqu'une seule molécule restait entre les électrodes, l'équipe a maintenu les électrodes à cette séparation jusqu'à ce qu'elles se détachent d'elles-mêmes. Cela a provoqué un coup, infime élévation de la température du calorimètre, et à partir de cette augmentation de température, l'équipe a calculé la quantité de chaleur qui s'était écoulée à travers la chaîne carbonée d'une seule molécule.

Ils ont mené des expériences de flux de chaleur avec des chaînes de carbone entre deux et 10 atomes de long, mais la longueur de la chaîne ne semblait pas affecter la vitesse à laquelle la chaleur la traversait. Le taux de transfert de chaleur était d'environ 20 picowatts (20 trillionièmes de watt) par degré Celsius de différence entre le calorimètre et l'électrode maintenue à température ambiante.

« Dans le monde macroscopique, pour un matériau comme le cuivre ou le bois, la conductance thermique diminue à mesure que la longueur du matériau augmente. La conductance électrique des métaux suit également une règle similaire, " dit Longji Cui, premier auteur et un doctorat U-M 2018 diplômé, actuellement chercheur postdoctoral en physique à l'Université Rice.

"Toutefois, les choses sont très différentes à l'échelle nanométrique, " a déclaré Cui. " Un cas extrême est celui des jonctions moléculaires, dans lequel les effets quantiques dominent leurs propriétés de transport. Nous avons constaté que la conductance électrique diminue de façon exponentielle à mesure que la longueur augmente, alors que la conductance thermique est plus ou moins la même."

Les prédictions théoriques suggèrent que la facilité de mouvement de la chaleur à l'échelle nanométrique résiste même si les chaînes moléculaires s'allongent beaucoup, 100 nanomètres de longueur ou plus, soit environ 100 fois la longueur de la chaîne de 10 atomes testée dans cette étude. L'équipe explore maintenant comment déterminer si cela est vrai.