Un nouveau modèle, développé par des chimistes de l'Université de Pennsylvanie, pourrait être la première étape vers une meilleure exploitation de l'énergie thermique pour alimenter des dispositifs nanométriques.
Les scientifiques ont compris depuis longtemps que la chaleur se déplace à travers les vibrations. Les molécules vibrent de plus en plus vite à mesure qu'elles chauffent, et leurs vibrations font vibrer d'autres molécules autour d'eux, réchauffer les molécules voisines plus froides. Pendant des décennies, c'était la seule façon connue de transférer la chaleur dans les molécules organiques. Ce n'est que récemment que les chercheurs ont pu examiner de plus près ce qui se passe réellement à l'échelle moléculaire lors du transfert de chaleur.
Abraham Nitzan, professeur de chimie à la Penn's School of Arts &Science, et Galien Craven, un post-doctorant dans son laboratoire, utilisé de nouvelles informations sur la façon de mesurer la température à l'échelle nanométrique pour revisiter le mécanisme de transfert de chaleur. Ils ont créé un modèle pour découvrir comment un gradient de température affecte l'interaction moléculaire, en se concentrant sur le processus de transfert d'électrons.
Leurs découvertes, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , montrent que le transfert de chaleur se produit lorsque l'électron se déplace entre deux molécules qui sont à des températures différentes.
Le transfert d'électrons est probablement le processus le plus important en chimie, selon Nitzan.
"La moitié de la chimie est constituée de processus de transfert d'électrons, " Il a dit. " Il a été étudié pendant 100 ans à l'échelle moléculaire. "
électrons, la composante chargée négativement des atomes, orbite autour d'un noyau chargé positivement. Dans les métaux, les électrons peuvent se déplacer librement d'une molécule à l'autre, produire un courant électrique. Transfert d'électrons dans les molécules organiques, cependant, demande plus d'énergie. Lorsqu'une molécule est excitée, un électron "sautera" d'une molécule à une autre. Ce processus de transfert d'électrons est essentiel pour de nombreuses réactions chimiques courantes, en particulier ceux qui se produisent dans les processus biologiques.
Alors que le transfert d'électrons a été méticuleusement étudié, ce n'est que récemment que les scientifiques ont pu étudier la température à l'échelle des atomes et des électrons. Aujourd'hui, les scientifiques peuvent détecter des différences de température à l'échelle de quelques nanomètres, leur permettant de voir comment les différences entre les molécules individuelles affectent leur comportement.
Cette innovation est ce qui a inspiré Nitzan et Craven pour étudier comment le transfert de chaleur se produit au niveau moléculaire.
"La question à laquelle nous voulions répondre, " dit Craven, « est ce qui se passe lorsque le donneur et l'accepteur sont à des températures différentes. »
Nitzan et Craven ont fait une série d'équations mathématiques pour décrire exactement cela. En s'appuyant sur les résultats expérimentaux obtenus à l'aide de nouveaux outils pour mesurer les différences de chaleur sur de très petites distances, ils ont créé une théorie sur la façon dont les électrons sautent vers des molécules avec moins d'énergie thermique. Leur modèle montre que le transfert de chaleur se produit en fait lorsqu'un électron se transfère à une molécule à plus basse température. Ils ont également observé que, par rapport au transfert de chaleur par vibration, Le transfert d'électrons pourrait déplacer la chaleur jusqu'à un million de fois plus vite.
Craven pense que cela pourrait être une découverte clé pour améliorer l'efficacité des dispositifs nanotechnologiques qui reposent sur des interactions à petite échelle pour fonctionner. A l'échelle nanométrique, le mouvement d'énergie d'une molécule avec plus de chaleur à une de moins pourrait être exploité pour alimenter des technologies et des dispositifs émergents.
Par exemple, Craven imagine que les ordinateurs pourraient être conçus pour utiliser la chaleur plutôt que l'électricité pour effectuer des opérations logiques. Autrefois, de tels ordinateurs seraient impossibles car le transfert de chaleur vibratoire est trop lent et ne générerait pas assez de puissance pour fonctionner.
Mais, "si nous utilisons la vitesse de l'électron pour déplacer la chaleur, " dit Craven, "nous pourrions avoir ces ordinateurs fonctionnant à la vitesse des ordinateurs électriques mais utilisant la chaleur au lieu des courants électriques."
Contrairement à la batterie, qui utilise une différence de charge électrique pour générer de l'énergie, un ordinateur qui utilise des gradients thermiques pour l'alimentation pourrait avoir des avantages. Par exemple, il peut être utilisé dans des environnements extrêmes sans crainte de court-circuit.
Les chercheurs de Penn restent prudents, cependant, sur la promesse d'appliquer ces connaissances jusqu'à ce que leur théorie soit davantage développée, en notant que, pour qu'un électron transporte de la chaleur, elle doit être fortement associée à la vibration de la molécule afin qu'elle puisse transporter une partie de cette énergie vibratoire lorsqu'elle saute sur une autre orbite. Alors que le transfert d'électrons à lui seul peut voyager jusqu'à un million de fois plus vite, ils ont noté que ces vibrations peuvent amener les électrons à transférer plus lentement.
"Les électrons plus fortement couplés aux vibrations, plus la vitesse des électrons sera petite, " a déclaré Nitzan. " Les électrons avec un fort couplage aux vibrations transportent beaucoup de chaleur, mais un couplage fort vous ralentit également. Il y aura un équilibre entre les deux, et c'est quelque chose à étudier à l'avenir."
Ce modèle, cependant, est une nouvelle découverte d'un processus fondamental qui changera notre compréhension du fonctionnement du transfert de chaleur au niveau moléculaire.
"En fin de compte, ce que nous envisageons en nanotechnologie est un flux d'énergie et un transfert de charge à l'échelle nanométrique, " dit Nitzan, "Il est donc très important de bien connaître et comprendre comment les molécules interagissent."
