En el sistema propuesto, un nanotubo de carbono está suspendido entre dos cables, debajo de un electrodo de punta, y encima de una puerta. El par de cables y la punta son dos depósitos de electrones separados con diferentes temperaturas. Los electrones pueden hacer un túnel entre el nanotubo y los depósitos. Aunque se evita el intercambio de electrones entre los dos depósitos, La interacción electrón-electrón acopla los dos depósitos, permitiendo un flujo de calor. Crédito:A. Vikström et al. © 2016 Sociedad Estadounidense de Física
(Phys.org) —Ilustrando la forma inusual en que funcionan las cosas en la nanoescala, Los científicos han diseñado un nuevo sistema nanoelectromecánico (NEMS) que produce movimiento mecánico debido a las interacciones entre electrones, aunque a diferencia de sistemas similares, este sistema no requiere corriente eléctrica. En lugar de, las interacciones electrón-electrón acoplan dos depósitos de electrones de diferentes temperaturas, lo que genera un flujo de calor entre ellos que hace vibrar un nanotubo de carbono suspendido.
Los investigadores, A. Vikström y coautores de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Göteborg, Suecia, y el Instituto B. Verkin de Física e Ingeniería de Baja Temperatura de la Academia Nacional de Ciencias de Ucrania en Jarkov, Ucrania, han publicado un artículo sobre el dispositivo NEMS en un número reciente de Cartas de revisión física .
"Los dispositivos microscópicos que combinan la electrónica con la mecánica, MEMS (sistemas microelectromecánicos), son omnipresentes en el mundo moderno, "Vikström dijo Phys.org . "Los sensores dentro de nuestros teléfonos inteligentes que determinan la aceleración, orientación, etc., son buenos ejemplos. A medida que los dispositivos electrónicos se vuelven más pequeños, existe un esfuerzo continuo para reemplazar tales estructuras microscópicas con estructuras nanoscópicas:NEMS. Nuestra investigación pertenece a esta categoría; nos proponemos, modelo, y estudiar nuevos dispositivos NEMS. El motor térmico NEMS que hemos sugerido es especial porque convierte un flujo de calor en movimiento mecánico sin requerir ni generar una corriente eléctrica ".
Aunque ha habido otras propuestas en las que los fenómenos de un solo electrón provocan vibraciones mecánicas en los dispositivos NEMS, estos mecanismos normalmente requieren una corriente eléctrica. Si esa corriente está bloqueada, entonces estos mecanismos ya no funcionan.
El nuevo mecanismo propuesto se diferencia en que bloquea intencionalmente cualquier corriente eléctrica. El sistema consta de un nanotubo de carbono suspendido entre dos cables de electrodo, con el par de conductores actuando como un depósito de electrones. Un electrodo de punta sobre el nanotubo actúa como un segundo depósito, que contiene electrones con espín opuesto a los electrones en el primer depósito. Los electrones pueden hacer un túnel libremente desde sus depósitos hasta el nanotubo y viceversa. Pero debido a que los electrones de diferentes depósitos tienen espines opuestos, no pueden viajar al depósito opuesto, por lo que no hay transferencia de cargo.
Las cosas comienzan a ponerse interesantes cuando los depósitos de electrones tienen diferentes temperaturas. Luego, cuando los electrones fríos de un reservorio y los electrones calientes del otro reservorio hagan un túnel al nanotubo, interactúan y el calor se transfiere de los electrones calientes a los fríos. Cuando los electrones fríos regresan a su depósito frío, llevan energía extra, mientras que los electrones calientes regresan a su reservorio caliente con menos energía.
Si el depósito de la punta está más caliente que el depósito del electrodo, entonces el flujo de calor resultante desviará ligeramente el nanotubo suspendido hacia este depósito. Al acercar el nanotubo y el depósito de la punta, esta desviación aumenta la tasa de tunelización entre ellos. El aumento de la tunelización produce un mecanismo de retroalimentación, pero con una respuesta tardía, haciendo que el nanotubo vibre. Finalmente, la amplitud de la vibración se estabiliza ya que la eficiencia de bombeo disminuye con la amplitud. Ajustando las temperaturas de los embalses, los investigadores demostraron que se puede controlar la dirección y la fuerza del mecanismo de retroalimentación, y las vibraciones se pueden bombear o amortiguar.
Dado que el sistema utiliza flujo de calor para generar movimiento mecánico, Actúa eficazmente como un motor térmico a nanoescala. La eficiencia del motor aumenta a medida que aumenta la diferencia de temperatura, y los investigadores estiman que la eficiencia máxima es un pequeño porcentaje, limitado por factores geométricos en lugar de la diferencia de temperatura. Los investigadores esperan que el sistema pueda tener una variedad de usos.
"Si considera el concepto general de un motor térmico y lo imagina en el contexto de un circuito electrónico, es fácil imaginar los beneficios, "Dijo Vikström." El calor siempre está presente en los circuitos eléctricos como un subproducto. Ese calor suele ser solo un desperdicio de energía, pero si pudieras aprovecharlo para decir, alimentar otros dispositivos NEMS integrados, tendrías un sistema más eficiente desde el punto de vista energético ".
Los investigadores explican que el diseño propuesto podría realizarse experimentalmente utilizando técnicas existentes. Sugieren que las vibraciones podrían detectarse aplicando un campo magnético perpendicular al movimiento del nanotubo, lo que provocaría que una carga en el nanotubo experimente una fuerza que se alterna con la desviación. Entonces se podría medir la corriente alterna que generaría, proporcionando evidencia de las vibraciones del nanotubo.
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