(Phys.org)—Illustratie van de ongebruikelijke manier waarop dingen werken op nanoschaal, wetenschappers hebben een nieuw nano-elektromechanisch systeem (NEMS) ontworpen dat mechanische beweging produceert vanwege de interacties tussen elektronen, maar in tegenstelling tot vergelijkbare systemen, dit systeem vereist geen elektrische stroom. In plaats daarvan, de elektron-elektron interacties koppelen twee elektronenreservoirs van verschillende temperaturen, die een warmtestroom tussen hen genereert die ervoor zorgt dat een zwevende koolstofnanobuis gaat trillen.

De onderzoekers, A. Vikström en co-auteurs van de Chalmers University of Technology in Göteborg, Zweden, en het B. Verkin Institute for Low Temperature Physics and Engineering van de National Academy of Sciences van Oekraïne in Charkov, Oekraïne, hebben een artikel over het NEMS-apparaat gepubliceerd in een recent nummer van: Fysieke beoordelingsbrieven .

"Microscopische apparaten die elektronica combineren met mechanica - MEMS (micro-elektromechanische systemen) - zijn alomtegenwoordig in de moderne wereld, " Vikström vertelde Phys.org . "De sensoren in onze smartphones die de versnelling bepalen, oriëntatie, enzovoort., zijn goede voorbeelden. Naarmate elektronische apparaten kleiner worden, er is een voortdurende poging om dergelijke microscopische structuren te vervangen door nanoscopische - NEMS. Ons onderzoek hoort in deze categorie; wij stellen voor, model, en nieuwe NEMS-apparaten bestuderen. De NEMS-warmtemotor die we hebben voorgesteld, is speciaal omdat hij een warmtestroom omzet in mechanische beweging zonder dat er een elektrische stroom nodig is of wordt opgewekt."

Hoewel er andere voorstellen zijn geweest waarin verschijnselen van één elektron mechanische trillingen veroorzaken in NEMS-apparaten, deze mechanismen vereisen typisch een elektrische stroom. Als die stroom wordt geblokkeerd, dan werken deze mechanismen niet meer.

Het nieuwe voorgestelde mechanisme verschilt doordat het opzettelijk elke elektrische stroom blokkeert. Het systeem bestaat uit een koolstof nanobuis opgehangen tussen twee elektrodedraden, waarbij het paar geleiders als één elektronenreservoir fungeert. Een tipelektrode boven de nanobuis fungeert als een tweede reservoir, met elektronen met tegengestelde spin als de elektronen in het eerste reservoir. Elektronen kunnen vrij tunnelen van hun reservoirs naar de nanobuis en terug. Maar omdat de elektronen uit verschillende reservoirs tegengestelde spins hebben, ze kunnen niet naar het tegenoverliggende reservoir reizen, en er is dus geen overdracht van kosten.

Het wordt interessant als de elektronenreservoirs verschillende temperaturen hebben. Wanneer koude elektronen uit het ene reservoir en hete elektronen uit het andere reservoir naar de nanobuis tunnelen, ze interageren en warmte wordt overgedragen van de hete naar de koude elektronen. Wanneer de koude elektronen terug tunnelen naar hun koude reservoir, ze dragen extra energie, terwijl de hete elektronen met minder energie terugkeren naar hun hete reservoir.

Als het tipreservoir heter is dan het elektrodereservoir, dan zal de resulterende warmtestroom de gesuspendeerde nanobuis enigszins naar dit reservoir afbuigen. Door het nanobuisje en het tipreservoir dichter bij elkaar te brengen, deze afbuiging verhoogt de tunnelsnelheid tussen hen. De verhoogde tunneling produceert een feedbackmechanisme, maar met een vertraagde reactie, waardoor de nanobuis gaat trillen. Uiteindelijk stabiliseert de trillingsamplitude aangezien het pomprendement afneemt met de amplitude. Door de temperatuur van de reservoirs aan te passen, de onderzoekers toonden aan dat de richting en sterkte van het feedbackmechanisme kan worden gecontroleerd, en de trillingen kunnen worden gepompt of gedempt.

Omdat het systeem warmtestroom gebruikt om mechanische beweging te genereren, het werkt effectief als een warmtemotor op nanoschaal. Het rendement van de motor neemt toe naarmate het temperatuurverschil groter wordt, en de onderzoekers schatten dat de maximale efficiëntie een paar procent is, beperkt door geometrische factoren in plaats van temperatuurverschil. De onderzoekers verwachten dat het systeem verschillende toepassingen kan hebben.

"Als je het algemene concept van een warmtemotor beschouwt en je het voorstelt in de context van een elektronisch circuit, het is gemakkelijk om de voordelen voor te stellen, "Zei Vikström. "Warmte is altijd als bijproduct aanwezig in elektrische circuits. Dergelijke warmte is meestal gewoon energieverspilling, maar als je het zou kunnen gebruiken, zeggen, voeding van andere geïntegreerde NEMS-apparaten, je zou een energiezuiniger systeem hebben."

De onderzoekers leggen uit dat het voorgestelde ontwerp experimenteel kan worden gerealiseerd met behulp van bestaande technieken. Ze suggereren dat de trillingen kunnen worden gedetecteerd door een magnetisch veld aan te leggen dat loodrecht op de beweging van de nanobuis staat, waardoor een lading op de nanobuis een kracht ervaart die wordt afgewisseld met de afbuiging. De wisselstroom die het zou genereren, zou dan kunnen worden gemeten, het leveren van bewijs van de trillingen van de nanobuis.

© 2016 Fys.org