(Phys.org) -- Une équipe de scientifiques de l'Université du Maryland a découvert que lorsque le courant électrique traverse des nanotubes de carbone, les objets à proximité se réchauffent tandis que les nanotubes eux-mêmes restent froids, comme un grille-pain qui brûle du pain sans devenir chaud. Comprendre ce nouveau phénomène complètement inattendu pourrait conduire à de nouvelles façons de construire des processeurs informatiques pouvant fonctionner à des vitesses plus élevées sans surchauffe.

"C'est un nouveau phénomène que nous observons, exclusivement à l'échelle nanométrique, et c'est complètement contraire à notre intuition et à notre connaissance du chauffage Joule à plus grande échelle - par exemple, dans des choses comme votre grille-pain, " dit le premier auteur Kamal Baloch, qui a mené la recherche alors qu'il était étudiant diplômé à l'Université du Maryland. "Les électrons du nanotube rebondissent sur quelque chose, mais pas ses atomes. En quelque sorte, les atomes des matériaux voisins - le substrat de nitrure de silicium - vibrent et deviennent chauds à la place."

"L'effet est un peu bizarre, " admet John Cumings, un professeur adjoint au Département de science et génie des matériaux qui a supervisé le projet de recherche. Lui et Baloch ont surnommé le phénomène "chauffage Joule à distance".

Une découverte irréelle

Pour les chercheurs de l'UMD, l'expérience de la découverte était comme ce que vous ou moi avons pu ressentir, si, un matin apparemment ordinaire, nous avons commencé à préparer le petit déjeuner, seulement pour trouver certaines choses qui semblent violer la réalité normale. Le toast est brûlé, mais le grille-pain est froid. L'interrupteur de la cuisinière est sur "HI" et la théière siffle, mais le brûleur n'est pas chaud.

Bien sûr, Baloutche, Cumings et leurs collègues ne préparaient pas le petit déjeuner dans une cuisine, mais en exécutant des expériences dans une installation de microscopie électronique à la A. James Clark School of Engineering de l'Université du Maryland. Ils ont répété leurs expériences encore et encore, et le résultat était toujours le même :lorsqu'ils faisaient passer un courant électrique dans un nanotube de carbone, le substrat en dessous est devenu suffisamment chaud pour faire fondre des nanoparticules métalliques à sa surface, mais le nanotube lui-même semblait rester froid, de même que les contacts métalliques qui y sont attachés.

Pour nous, non scientifiques, leur expérience peut ne pas sembler si étrange à première vue - après tout, les aliments cuits dans un four à micro-ondes deviennent chauds tandis que le four lui-même reste proche de la température ambiante. Le problème est que Baloch et Cumings ne généraient pas intentionnellement un champ de micro-ondes. Ils faisaient seulement passer un courant électrique continu à travers le nanotube, ce qui aurait dû le faire chauffer. Les données leur racontaient une histoire qui ne semblait pas avoir de sens, celle d'un grille-pain branché qui pouvait brûler du pain sans devenir chaud.

Un phénomène connu sous le nom de « chauffage Joule » dicte qu'un courant électrique fera rebondir les électrons en déplacement sur les atomes d'un fil métallique, les faisant vibrer en place. Ces vibrations créent de la chaleur, et tout fil conducteur devrait montrer l'effet, y compris les éléments chauffants des grille-pain, sèche-cheveux, et plaques de cuisson électriques. Les nanotubes de carbone sont connus pour conduire l'électricité comme des fils métalliques nanométriques, Baloch et Cumings s'attendaient donc à voir le même effet en faisant passer du courant à travers un nanotube de carbone.

Ils ont utilisé une technique développée dans le laboratoire de Cumings appelée microscopie thermique électronique, qui cartographie l'endroit où la chaleur est générée dans les appareils électriques à l'échelle nanométrique, d'observer l'effet du courant sur un nanotube. Ils s'attendaient à voir la chaleur se propager le long du nanotube jusqu'aux contacts métalliques qui y sont attachés. Au lieu, la chaleur semblait sauter directement sur le substrat de nitrure de silicium en dessous, le réchauffer tout en laissant le nanotube relativement froid.

Mais comment est-il possible que les électrons du nanotube fassent vibrer les atomes du substrat s'ils sont séparés par la distance, même un mesurant en nanomètres ? Baloch et Cumings spéculent qu'un « tiers » est impliqué :les champs électriques.

"Nous pensons que les électrons du nanotube créent des champs électriques dus au courant, et les atomes du substrat répondent directement à ces champs, " explique Cumings. " Le transfert d'énergie se fait par ces intermédiaires, et pas parce que les électrons du nanotube rebondissent sur les atomes du substrat. Bien qu'il existe une certaine analogie avec un four à micro-ondes, la physique derrière les deux phénomènes est en fait très différente."

Baloch ajoute que l'effet de chauffage Joule à distance pourrait avoir des implications de grande envergure pour la technologie informatique. "Ce qui limite actuellement les performances du processeur d'un ordinateur, c'est la vitesse à laquelle il peut fonctionner, et ce qui limite la vitesse c'est le fait qu'il fasse trop chaud, " explique-t-il. " Si vous pouviez trouver un moyen de vous débarrasser plus efficacement de la chaleur perdue, alors il pourrait courir plus vite. Un transistor qui ne dissipe pas d'énergie en lui-même sous forme de chaleur, comme les nanotubes de notre expérience, pourrait changer la donne. Ce nouveau mécanisme de transport thermique vous permettrait de concevoir séparément votre conducteur thermique et votre conducteur électrique, choisir les meilleures propriétés pour chacun sans exiger que les deux soient le même matériau occupant la même région de l'espace."

Pour le moment, un air de mystère entoure encore le phénomène, qui n'a été observé qu'à l'échelle nanométrique, et uniquement dans les matériaux carbonés. Les prochaines étapes consistent à déterminer si d'autres matériaux peuvent produire l'effet, et si oui, quelles propriétés ils doivent avoir. "Nous savons maintenant que le nitrure de silicium peut absorber l'énergie d'un nanotube porteur de courant de cette manière, mais nous aimerions tester d'autres matériaux, tels que les semi-conducteurs et autres isolants, " Cumings explique.  " Si nous pouvons vraiment comprendre comment ce phénomène fonctionne, nous pourrions commencer à concevoir une nouvelle génération de nanoélectronique avec gestion thermique intégrée."

Cette découverte a été publiée dans le numéro en ligne anticipé du 8 avril de Nature Nanotechnologie . La recherche a été financée par une subvention du Département américain de l'énergie Office of Basic Energy Sciences.