En ny modell, utvecklad av University of Pennsylvania kemister, kan vara det första steget mot bättre utnyttjande av värmeenergi för att driva enheter i nanoskala.
Forskare har länge förstått att värme färdas genom vibrationer. Molekyler vibrerar snabbare och snabbare när de värms upp, och deras vibrationer får andra molekyler runt dem att vibrera också, värmande svalare närliggande molekyler. I decennier var detta det enda kända sättet att överföra värme i organiska molekyler. Först nyligen har forskare haft förmågan att titta närmare på vad som faktiskt händer i molekylär skala under värmeöverföring.
Abraham Nitzan, professor i kemi vid Penns School of Arts &Science, och Galen Craven, en postdoc i sitt labb, använde ny information om hur man mäter temperatur på nanoskala för att återbesöka mekanismen för värmeöverföring. De skapade en modell för att ta reda på hur en temperaturgradient påverkar molekylär interaktion, fokusera på processen för elektronöverföring.
Deras resultat, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , visa att värmeöverföring sker när elektronen rör sig mellan två molekyler som har olika temperatur.
Elektronöverföring är möjligen den viktigaste processen inom kemi, enligt Nitzan.
"Hälften av kemin är elektronöverföringsprocesser, " sade han. "Det har undersökts i 100 år på molekylär skala."
Elektroner, den negativt laddade komponenten av atomer, kretsar kring en positivt laddad kärna. I metaller, elektroner kan röra sig fritt från molekyl till molekyl, producerar en elektrisk ström. Elektronöverföring i organiska molekyler, dock, kräver mer energi. När en molekyl får energi, en elektron kommer att "hoppa" från en molekyl till en annan molekyl. Denna elektronöverföringsprocess är avgörande för många vanliga kemiska reaktioner, särskilt sådana som förekommer i biologiska processer.
Även om elektronöverföring har studerats noggrant, Först nyligen har forskare kunnat titta på temperaturen på skalan av atomer och elektroner. I dag, forskare kan upptäcka temperaturskillnader på en skala av några nanometer, så att de kan se hur skillnader mellan enskilda molekyler påverkar deras beteende.
Denna innovation är vad som inspirerade Nitzan och Craven att undersöka hur värmeöverföring sker på molekylär nivå.
"Frågan vi ville svara på, sa Craven, "är vad som händer när givaren och mottagaren har olika temperaturer."
Nitzan och Craven gjorde en serie matematiska ekvationer för att beskriva exakt det. Bygga på de experimentella resultaten som erhållits med nya verktyg för att mäta värmeskillnader över mycket små avstånd, de skapade en teori om hur elektroner hoppar till molekyler med mindre värmeenergi. Deras modell visar att värmeöverföring faktiskt sker när en elektron överförs till en molekyl med lägre temperatur. De observerade också att jämfört med värmeöverföring via vibrationer, elektronöverföring kan flytta värme så mycket som en miljon gånger snabbare.
Craven tror att detta kan vara en nyckelupptäckt för att förbättra effektiviteten hos nanoteknologiska enheter som är beroende av småskaliga interaktioner för att fungera. På nanoskala, rörelsen av energi från en molekyl med mer värme till en från mindre skulle kunna utnyttjas för att driva framväxande teknologier och enheter.
Till exempel, Craven föreställer sig att datorer kan designas för att använda värme snarare än elektricitet för att utföra logiska operationer. Förr, sådana datorer skulle vara omöjliga eftersom vibrationsvärmeöverföringen är för långsam och inte skulle generera tillräckligt med ström för att köras.
Men, "om vi använder elektronens hastighet för att flytta värme, "sa Craven, "vi skulle kunna ha dessa datorer som fungerar i samma hastighet som elektriska datorer men använder värme istället för elektriska strömmar."
Till skillnad från batteridrift, som använder en skillnad i elektrisk laddning för att generera energi, en dator som använder värmegradienter för ström kan ha fördelar. Till exempel, den skulle kunna användas i extrema miljöer utan rädsla för kortslutning.
Penn-forskarna är fortfarande försiktiga, dock, om löftet att tillämpa denna kunskap tills deras teori vidareutvecklas, Noterar att, för en elektron att bära värme, den måste vara starkt associerad med molekylens vibration så att den kan bära en del av den vibrationsenergin när den hoppar till en annan bana. Medan enbart elektronöverföring kan resa så mycket som en miljon gånger snabbare, de noterade att dessa vibrationer kan få elektronerna att överföras långsammare.
"De starkare elektronerna kopplade till vibrationerna, ju lägre elektronhastigheten blir, ", sa Nitzan. "Elektroner med stark koppling till vibrationer bär mycket värme, men stark koppling saktar också ner dig. Det kommer att finnas en balans mellan de två, och detta är något att undersöka i framtiden. "
Den här modellen, dock, är en ny upptäckt av en grundläggande process som kommer att förändra vår förståelse av hur värmeöverföring fungerar på molekylär nivå.
"Vad vi så småningom föreställer oss inom nanoteknik är energiflöde och laddningsöverföring på nanoskala, "sa Nitzan, "så det är mycket viktigt att veta och förstå hur molekyler interagerar."
