La transferencia de calor a través de una sola molécula ha sido medida por primera vez por un equipo internacional de investigadores dirigido por la Universidad de Michigan.

Esto podría ser un paso hacia la computación molecular:construir circuitos a partir de moléculas en lugar de tallarlos en silicio como una forma de maximizar la ley de Moore y hacer las computadoras convencionales más poderosas posibles.

La ley de Moore comenzó como una observación de que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años, duplicar la densidad de potencia de procesamiento. Se cree ampliamente que la computación molecular es el juego final de la ley de Moore, pero muchos obstáculos se interponen en el camino, uno de los cuales es la transferencia de calor.

"El calor es un problema en la computación molecular porque los componentes electrónicos son esencialmente cadenas de átomos que unen dos electrodos. A medida que la molécula se calienta, los átomos vibran muy rápidamente, y la cuerda se puede romper, "dijo Edgar Meyhofer, Catedrático de Ingeniería Mecánica de la UM.

Hasta ahora, la transferencia de calor a lo largo de estas moléculas no se pudo medir, mucho menos controlado. Pero Meyhofer y Pramod Reddy, también profesor de ingeniería mecánica en la U-M, han dirigido el primer experimento observando la velocidad a la que fluye el calor a través de una cadena molecular. Su equipo incluía investigadores de Japón, Alemania y Corea del Sur.

"Si bien los aspectos electrónicos de la computación molecular se han estudiado durante los últimos 15 o 20 años, los flujos de calor han sido imposibles de estudiar experimentalmente, "Dijo Reddy." El calor más rápido puede disiparse de las uniones moleculares, los dispositivos de computación molecular del futuro más confiables podrían ser ".

Meyhofer y Reddy han estado desarrollando la capacidad para realizar este experimento durante casi una década. Han desarrollado un dispositivo de medición de calor, o calorímetro, que está casi totalmente aislado del resto de la habitación, lo que le permite tener una excelente sensibilidad térmica. Calentaron el calorímetro entre 20 y 40 grados centígrados por encima de la temperatura ambiente.

El calorímetro estaba equipado con un electrodo de oro con una punta del tamaño de un nanómetro, aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano. El grupo U-M y un equipo de la Universidad Kookmin, visitando Ann Arbor desde Seúl, Corea del Sur, preparó un electrodo de oro a temperatura ambiente con un recubrimiento de moléculas (cadenas de átomos de carbono).

Juntaron los dos electrodos hasta que se tocaron, lo que permitió que algunas cadenas de átomos de carbono se unieran al electrodo del calorímetro. Con los electrodos en contacto, el calor fluía libremente desde el calorímetro, al igual que una corriente eléctrica. Luego, los investigadores separaron lentamente los electrodos, de modo que solo las cadenas de átomos de carbono los conectaban.

Durante el transcurso de la separación, estas cadenas continuaron rasgándose o cayendo, uno después del otro. El equipo utilizó la cantidad de corriente eléctrica que fluía a través de los electrodos para deducir cuántas moléculas quedaban. Los colaboradores de la Universidad de Konstanz en Alemania y la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón habían calculado la corriente esperada cuando solo quedaba una molécula, así como la transferencia de calor esperada a través de esa molécula.

Cuando quedaba una sola molécula entre los electrodos, el equipo sostuvo los electrodos en esa separación hasta que se rompió por sí solo. Esto provocó un repentino, minúsculo aumento de la temperatura del calorímetro, y de ese aumento de temperatura, el equipo averiguó cuánto calor había estado fluyendo a través de la cadena de carbono de una sola molécula.

Llevaron a cabo experimentos de flujo de calor con cadenas de carbono de entre dos y 10 átomos de largo, pero la longitud de la cadena no pareció afectar la velocidad a la que el calor se movía a través de ella. La tasa de transferencia de calor fue de aproximadamente 20 picowatts (20 billonésimas de vatio) por grado Celsius de diferencia entre el calorímetro y el electrodo mantenido a temperatura ambiente.

"En el mundo macroscópico, para un material como el cobre o la madera, la conductancia térmica disminuye a medida que aumenta la longitud del material. La conductancia eléctrica de los metales también sigue una regla similar, "dijo Longji Cui, primer autor y un Ph.D. de la U-M de 2018. graduado, actualmente es investigador postdoctoral en física en la Universidad de Rice.

"Sin embargo, las cosas son muy diferentes a nanoescala, "Dijo Cui." Un caso extremo son las uniones moleculares, en el que los efectos cuánticos dominan sus propiedades de transporte. Encontramos que la conductancia eléctrica cae exponencialmente a medida que aumenta la longitud, mientras que la conductancia térmica es más o menos la misma ".

Las predicciones teóricas sugieren que la facilidad de movimiento del calor a nanoescala se mantiene incluso cuando las cadenas moleculares se alargan mucho, 100 nanómetros de longitud o más, aproximadamente 100 veces la longitud de la cadena de 10 átomos probada en este estudio. El equipo ahora está explorando cómo investigar si eso es cierto.