Un nuevo modelo desarrollado por químicos de la Universidad de Pensilvania, podría ser el primer paso hacia un mejor aprovechamiento de la energía térmica para alimentar dispositivos a nanoescala.
Los científicos han entendido desde hace mucho tiempo que el calor viaja a través de vibraciones. Las moléculas vibran cada vez más rápido a medida que se calientan, y sus vibraciones hacen que otras moléculas a su alrededor también vibren, calentamiento de moléculas cercanas más frías. Durante décadas, esta fue la única forma conocida en que se podía transferir calor en moléculas orgánicas. Solo recientemente los investigadores han tenido la capacidad de observar más de cerca lo que realmente sucede a escala molecular durante la transferencia de calor.
Abraham Nitzan, profesor de química en Penn's School of Arts &Science, y Galen Craven, un postdoctorado en su laboratorio, utilizó nueva información sobre cómo medir la temperatura en una nanoescala para revisar el mecanismo de transferencia de calor. Crearon un modelo para descubrir cómo un gradiente de temperatura afecta la interacción molecular, centrándose en el proceso de transferencia de electrones.
Sus hallazgos, publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , demuestre que la transferencia de calor ocurre cuando el electrón se mueve entre dos moléculas que están a diferentes temperaturas.
La transferencia de electrones es posiblemente el proceso más importante de la química. según Nitzan.
"La mitad de la química son los procesos de transferencia de electrones, ", dijo." Se ha investigado durante 100 años a escala molecular ".
Electrones el componente cargado negativamente de los átomos, orbitan un núcleo cargado positivamente. En metales, los electrones pueden moverse libremente de una molécula a otra, produciendo una corriente eléctrica. Transferencia de electrones en moléculas orgánicas, sin embargo, requiere más energía. Cuando una molécula se energiza, un electrón "saltará" de una molécula a orbitar otra. Este proceso de transferencia de electrones es esencial para muchas reacciones químicas comunes, especialmente los que ocurren en procesos biológicos.
Si bien la transferencia de electrones se ha estudiado meticulosamente, Sólo recientemente los científicos han podido observar la temperatura en la escala de átomos y electrones. Hoy dia, los científicos pueden detectar diferencias de temperatura en la escala de unos pocos nanómetros, permitiéndoles ver cómo las diferencias entre moléculas individuales afectan su comportamiento.
Esta innovación es lo que inspiró a Nitzan y Craven a investigar cómo se produce la transferencia de calor a nivel molecular.
"La pregunta que queríamos responder, "dijo Craven, "es lo que sucede cuando el donante y el aceptor están a diferentes temperaturas".
Nitzan y Craven hicieron una serie de ecuaciones matemáticas para describir exactamente eso. Sobre la base de los resultados experimentales obtenidos con nuevas herramientas para medir las diferencias de calor en distancias muy pequeñas, crearon una teoría de cómo los electrones saltan a moléculas con menos energía térmica. Su modelo muestra que la transferencia de calor ocurre de hecho cuando un electrón se transfiere a una molécula de temperatura más baja. También observaron que, en comparación con la transferencia de calor por vibración, la transferencia de electrones podría mover el calor hasta un millón de veces más rápido.
Craven cree que este podría ser un descubrimiento clave para mejorar la eficiencia de los dispositivos de nanotecnología que dependen de interacciones a pequeña escala para funcionar. En la nanoescala, el movimiento de energía de una molécula con más calor a una de menos podría aprovecharse para impulsar tecnologías y dispositivos emergentes.
Por ejemplo, Craven imagina que las computadoras podrían diseñarse para usar calor en lugar de electricidad para realizar operaciones lógicas. En el pasado, tales computadoras serían imposibles porque la transferencia de calor vibracional es demasiado lenta y no generaría suficiente energía para funcionar.
Pero, "si usamos la velocidad del electrón para mover el calor, "dijo Craven, "Podríamos tener estas computadoras funcionando a la velocidad de las computadoras eléctricas pero usando calor en lugar de corrientes eléctricas".
A diferencia de la energía de la batería, que utiliza una diferencia en la carga eléctrica para generar energía, una computadora que usa gradientes de calor para generar energía podría tener ventajas. Por ejemplo, Podría utilizarse en entornos extremos sin temor a cortocircuitos.
Los investigadores de Penn se mantienen cautelosos, sin embargo, sobre la promesa de aplicar este conocimiento hasta que su teoría se desarrolle más, señalando que, para que un electrón lleve calor, debe estar fuertemente asociado con la vibración de la molécula para que pueda transportar algo de esa energía vibratoria cuando salta a otra órbita. Si bien la transferencia de electrones por sí sola puede viajar hasta un millón de veces más rápido, señalaron que estas vibraciones pueden hacer que los electrones se transfieran más lentamente.
"Los electrones más fuertemente acoplados a las vibraciones, cuanto menor sea la velocidad del electrón, "dijo Nitzan." Los electrones con fuerte acoplamiento a las vibraciones llevan mucho calor, pero el acoplamiento fuerte también lo frena. Habrá un equilibrio entre los dos, y esto es algo para investigar en el futuro ".
Este modelo, sin embargo, es un nuevo descubrimiento de un proceso fundamental que cambiará nuestra comprensión de cómo funciona la transferencia de calor a nivel molecular.
"Con el tiempo, lo que imaginamos en nanotecnología es el flujo de energía y la transferencia de carga a nanoescala, "dijo Nitzan, "por lo que es muy importante conocer y comprender correctamente cómo interactúan las moléculas".
