Warmteoverdracht door een enkel molecuul is voor het eerst gemeten door een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Michigan.

Dit zou een stap kunnen zijn in de richting van moleculair computergebruik - het bouwen van circuits op basis van moleculen in plaats van ze uit silicium te snijden als een manier om de wet van Moore maximaal te benutten en de krachtigste conventionele computers mogelijk te maken.

De wet van Moore begon als een observatie dat het aantal transistors in een geïntegreerde schakeling elke twee jaar verdubbelt, verdubbeling van de dichtheid van verwerkingskracht. Moleculair computergebruik wordt algemeen beschouwd als het eindspel van de wet van Moore, maar veel obstakels staan ​​in de weg, een daarvan is warmteoverdracht.

"Warmte is een probleem bij moleculair computergebruik, omdat de elektronische componenten in wezen atoomstrengen zijn die twee elektroden overbruggen. Naarmate het molecuul heet wordt, de atomen trillen zeer snel, en het touwtje kan breken, " zei Edgar Meyhofer, U-M hoogleraar werktuigbouwkunde.

Tot nu, de overdracht van warmte langs deze moleculen kon niet worden gemeten, laat staan ​​gecontroleerd. Maar Meyhofer en Pramod Reddy, tevens hoogleraar werktuigbouwkunde aan de U-M, hebben geleid tot het eerste experiment waarbij de snelheid wordt waargenomen waarmee warmte door een moleculaire keten stroomt. Hun team omvatte onderzoekers uit Japan, Duitsland en Zuid-Korea.

"Terwijl elektronische aspecten van moleculair computergebruik de afgelopen 15 of 20 jaar zijn bestudeerd, warmtestromen zijn experimenteel onmogelijk te bestuderen, " zei Reddy. "De snellere warmte kan verdwijnen van moleculaire verbindingen, hoe betrouwbaarder toekomstige moleculaire computerapparatuur zou kunnen zijn."

Meyhofer en Reddy bouwen al bijna tien jaar aan de mogelijkheid om dit experiment uit te voeren. Ze hebben een warmtemeter ontwikkeld, of calorimeter, die bijna volledig geïsoleerd is van de rest van de kamer, waardoor het een uitstekende thermische gevoeligheid heeft. Ze verwarmden de calorimeter tot zo'n 20 tot 40 graden Celsius boven de kamertemperatuur.

De calorimeter was uitgerust met een gouden elektrode met een tip ter grootte van een nanometer, ongeveer een duizendste van de dikte van een mensenhaar. De U-M-groep en een team van Kookmin University, een bezoek aan Ann Arbor uit Seoul, Zuid-Korea, bereidde een goudelektrode op kamertemperatuur met een coating van moleculen (ketens van koolstofatomen).

Ze brachten de twee elektroden samen tot ze elkaar net raakten, waardoor sommige ketens van koolstofatomen zich aan de elektrode van de calorimeter konden hechten. Met de elektroden in contact, warmte stroomde vrij uit de calorimeter, net als een elektrische stroom. De onderzoekers trokken vervolgens langzaam de elektroden uit elkaar, zodat alleen de ketens van koolstofatomen ze verbonden.

In de loop van de scheiding, deze kettingen bleven scheuren of vielen weg, de een na de ander. Het team gebruikte de hoeveelheid elektrische stroom die over de elektroden vloeide om af te leiden hoeveel moleculen er nog over waren. Medewerkers van de Universiteit van Konstanz in Duitsland en de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University in Japan hadden de verwachte stroom berekend wanneer er nog maar één molecuul over was, evenals de verwachte warmteoverdracht over dat molecuul.

Wanneer een enkel molecuul tussen de elektroden bleef, het team hield de elektroden op die scheiding totdat deze vanzelf brak. Dit zorgde voor een plotselinge minuscule stijging van de temperatuur van de calorimeter, en van die temperatuurstijging, het team ontdekte hoeveel warmte er door de koolstofketen met één molecuul was gestroomd.

Ze voerden warmtestroomexperimenten uit met koolstofketens tussen twee en tien atomen lang, maar de lengte van de ketting leek geen invloed te hebben op de snelheid waarmee de warmte er doorheen ging. De warmteoverdrachtssnelheid was ongeveer 20 picowatt (20 biljoenste van een watt) per graad Celsius verschil tussen de calorimeter en de elektrode die op kamertemperatuur werd gehouden.

"In de macroscopische wereld, voor een materiaal als koper of hout, de thermische geleidbaarheid neemt af naarmate de lengte van het materiaal toeneemt. De elektrische geleiding van metalen volgt ook een soortgelijke regel, " zei Longji Cui, eerste auteur en een 2018 U-M Ph.D. afstuderen, momenteel een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde aan de Rice University.

"Echter, dingen zijn heel anders op nanoschaal, Cui zei. "Een extreem geval zijn moleculaire verbindingen, waarin kwantumeffecten hun transporteigenschappen domineren. We ontdekten dat de elektrische geleiding exponentieel daalt naarmate de lengte toeneemt, terwijl de thermische geleidbaarheid min of meer hetzelfde is."

Theoretische voorspellingen suggereren dat het bewegingsgemak van warmte op nanoschaal standhoudt, zelfs als de moleculaire ketens veel langer worden, 100 nanometer lang of meer - ongeveer 100 keer de lengte van de 10-atoomketen die in dit onderzoek is getest. Het team onderzoekt nu hoe te onderzoeken of dat waar is.