Een nieuw model, ontwikkeld door chemici van de Universiteit van Pennsylvania, zou de eerste stap kunnen zijn naar een beter gebruik van warmte-energie om apparaten op nanoschaal van stroom te voorzien.

Wetenschappers weten al lang dat warmte zich door trillingen voortplant. Moleculen trillen steeds sneller als ze opwarmen, en hun trillingen zorgen ervoor dat andere moleculen om hen heen ook trillen, opwarmende koeler in de buurt van moleculen. Decennia lang was dit de enige bekende manier waarop warmte kon worden overgedragen in organische moleculen. Pas onlangs hebben onderzoekers de mogelijkheid gehad om nauwkeuriger te kijken naar wat er werkelijk gebeurt op moleculaire schaal tijdens warmteoverdracht.

Abraham Nitzan, hoogleraar scheikunde aan Penn's School of Arts &Science, en Galen Craven, een postdoc in zijn lab, gebruikte nieuwe informatie over het meten van temperatuur op nanoschaal om het mechanisme van warmteoverdracht opnieuw te bekijken. Ze creëerden een model om erachter te komen hoe een temperatuurgradiënt de moleculaire interactie beïnvloedt, gericht op het proces van elektronenoverdracht.

Hun bevindingen, gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , laten zien dat warmteoverdracht optreedt wanneer het elektron beweegt tussen twee moleculen met verschillende temperaturen.

Elektronenoverdracht is mogelijk het belangrijkste proces in de chemie, volgens Nitzan.

"De helft van de chemie bestaat uit elektronenoverdrachtsprocessen, " zei hij. "Het is al 100 jaar onderzocht op moleculaire schaal."

elektronen, de negatief geladen component van atomen, om een ​​positief geladen kern draaien. Bij metalen, elektronen kunnen vrij van molecuul naar molecuul bewegen, het opwekken van een elektrische stroom. Elektronenoverdracht in organische moleculen, echter, meer energie nodig. Wanneer een molecuul wordt geactiveerd, een elektron zal van het ene molecuul "springen" naar een ander molecuul. Dit proces van elektronenoverdracht is essentieel voor veel voorkomende chemische reacties, vooral degenen die voorkomen in biologische processen.

Hoewel elektronenoverdracht nauwgezet is bestudeerd, pas sinds kort zijn wetenschappers in staat om naar temperatuur te kijken op de schaal van atomen en elektronen. Vandaag, wetenschappers kunnen temperatuurverschillen op de schaal van enkele nanometers detecteren, waardoor ze kunnen zien hoe verschillen tussen individuele moleculen hun gedrag beïnvloeden.

Deze innovatie inspireerde Nitzan en Craven om te onderzoeken hoe warmteoverdracht op moleculair niveau plaatsvindt.

"De vraag die we wilden beantwoorden, " zei Craven, "is wat er gebeurt als de donor en de acceptor zich op verschillende temperaturen bevinden."

Nitzan en Craven maakten een reeks wiskundige vergelijkingen om precies dat te beschrijven. Voortbouwend op de experimentele resultaten die zijn verkregen met behulp van nieuwe instrumenten om warmteverschillen over zeer kleine afstanden te meten, ze creëerden een theorie over hoe elektronen naar moleculen springen met minder warmte-energie. Hun model laat zien dat warmteoverdracht inderdaad plaatsvindt wanneer een elektron overgaat naar een molecuul met een lagere temperatuur. Ze constateerden ook dat, vergeleken met warmteoverdracht via trillingen, elektronenoverdracht zou warmte wel een miljoen keer sneller kunnen verplaatsen.

Craven gelooft dat dit een belangrijke ontdekking zou kunnen zijn om de efficiëntie te verbeteren van nanotechnologie-apparaten die afhankelijk zijn van kleinschalige interacties om te werken. Op nanoschaal is de beweging van energie van een molecuul met meer warmte naar een molecuul van minder kan worden gebruikt om opkomende technologieën en apparaten van stroom te voorzien.

Bijvoorbeeld, Craven stelt zich voor dat computers kunnen worden ontworpen om warmte te gebruiken in plaats van elektriciteit om logische bewerkingen uit te voeren. Vroeger, dergelijke computers zouden onmogelijk zijn omdat de overdracht van vibrerende warmte te langzaam is en niet genoeg stroom zou genereren om te werken.

Maar, "Als we de snelheid van het elektron gebruiken om warmte te verplaatsen, " zei Craven, "we zouden deze computers kunnen laten werken met de snelheden van elektrische computers, maar warmte gebruiken in plaats van elektrische stromen."

In tegenstelling tot batterijvermogen, die een verschil in elektrische lading gebruikt om energie op te wekken, een computer die warmtegradiënten gebruikt voor stroom kan voordelen hebben. Bijvoorbeeld, het kan in extreme omgevingen worden gebruikt zonder angst voor kortsluiting.

De Penn-onderzoekers blijven voorzichtig, echter, over de belofte om deze kennis toe te passen totdat hun theorie verder is ontwikkeld, opmerken dat, voor een elektron om warmte te dragen, het moet sterk geassocieerd zijn met de vibratie van het molecuul, zodat het een deel van die vibratie-energie kan dragen wanneer het naar een andere baan springt. Terwijl alleen elektronenoverdracht wel een miljoen keer sneller kan reizen, ze merkten op dat deze trillingen ervoor kunnen zorgen dat de elektronen langzamer worden overgedragen.

"Hoe sterker elektronen gekoppeld aan de trillingen, hoe kleiner de elektronensnelheid zal zijn, "zei Nitzan. "Elektronen met een sterke koppeling aan trillingen dragen veel warmte, maar een sterke koppeling vertraagt ​​je ook. Er zal een evenwicht tussen beide zijn, en dit is iets om in de toekomst te onderzoeken."

Dit model, echter, is een nieuwe ontdekking van een fundamenteel proces dat ons begrip van hoe warmteoverdracht op moleculair niveau werkt, zal veranderen.

"Uiteindelijk is wat we ons in nanotechnologie voorstellen, energiestroom en ladingsoverdracht op nanoschaal, " zei Nitzan, "Dus het is erg belangrijk om goed te weten en te begrijpen hoe moleculen op elkaar inwerken."