A transferência de calor através de uma única molécula foi medida pela primeira vez por uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela Universidade de Michigan.
Este poderia ser um passo em direção à computação molecular – construindo circuitos a partir de moléculas em vez de esculpindo-as a partir do silício como forma de maximizar a Lei de Moore e tornar os computadores convencionais mais poderosos possíveis.
A Lei de Moore começou como uma observação de que o número de transistores em um circuito integrado dobra a cada dois anos, dobrando a densidade do poder de processamento. Acredita-se que a computação molecular é o fim da Lei de Moore, mas há muitos obstáculos no caminho, um dos quais é a transferência de calor.
“O calor é um problema na computação molecular porque os componentes eletrônicos são essencialmente cordas de átomos que ligam dois eletrodos. À medida que a molécula esquenta, os átomos vibram muito rapidamente e a corda pode quebrar”, disse Edgar Meyhofer, professor de engenharia mecânica da U-M.
Até agora, a transferência de calor ao longo dessas moléculas não podia ser medida, muito menos controlada. Mas Meyhofer e Pramod Reddy, também professor de engenharia mecânica na U-M, conduziram o primeiro experimento observando a taxa na qual o calor flui através de uma cadeia molecular. Sua equipe incluía pesquisadores do Japão, Alemanha e Coréia do Sul.
“Embora os aspectos eletrônicos da computação molecular tenham sido estudados nos últimos 15 ou 20 anos, os fluxos de calor têm sido impossíveis de estudar experimentalmente”, disse Reddy. “O calor mais rápido pode se dissipar das junções moleculares, os dispositivos de computação molecular futuros mais confiáveis ??poderiam ser.”
Meyhofer e Reddy vêm construindo a capacidade de fazer esse experimento por quase uma década. Eles desenvolveram um dispositivo de medição de calor, ou calorímetro, que é quase totalmente isolado do resto da sala, permitindo que ele tenha excelente sensibilidade térmica. Eles aqueceram o calorímetro a cerca de 20 a 40 graus Celsius acima da temperatura ambiente.
O calorímetro foi equipado com um eletrodo de ouro com uma ponta do tamanho de um nanômetro, aproximadamente um milésimo da espessura de um fio de cabelo humano. O grupo U-M e uma equipe da Universidade Kookmin, em visita a Ann Arbor, de Seul, Coréia do Sul, prepararam um eletrodo de ouro à temperatura ambiente com um revestimento de moléculas (cadeias de átomos de carbono).
Eles juntaram os dois eletrodos até que se tocaram, o que permitiu que algumas cadeias de átomos de carbono se ligassem ao eletrodo do calorímetro. Com os eletrodos em contato, o calor fluía livremente do calorímetro, assim como a corrente elétrica. Os pesquisadores então lentamente separaram os eletrodos, de modo que apenas as cadeias de átomos de carbono os conectaram.
No decorrer da separação, essas correntes continuaram a rasgar ou a cair, uma após a outra. A equipe usou a quantidade de corrente elétrica que flui através dos eletrodos para deduzir quantas moléculas permaneceram. Os colaboradores da Universidade de Constança, na Alemanha, e da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, haviam calculado a corrente esperada quando restava apenas uma molécula – assim como a transferência de calor esperada naquela molécula.
Quando uma única molécula permanecia entre os eletrodos, a equipe mantinha os eletrodos nessa separação até que ela se separasse por conta própria. Isso causou um aumento súbito e minúsculo na temperatura do calorímetro e, a partir desse aumento de temperatura, a equipe descobriu quanto calor estava fluindo através da cadeia de carbono de uma única molécula.
Eles conduziram experimentos de fluxo de calor com cadeias de carbono entre dois e 10 átomos de comprimento, mas o comprimento da corrente não pareceu afetar a taxa na qual o calor se movia através dela. A taxa de transferência de calor foi de cerca de 20 picowatts (20 trilhões de watt) por grau Celsius de diferença entre o calorímetro e o eletrodo mantido à temperatura ambiente.
“No mundo macroscópico, para um material como cobre ou madeira, a condutância térmica diminui à medida que o comprimento do material aumenta. A condutância elétrica dos metais também segue uma regra similar”, disse Longji Cui, primeiro autor e um Ph da UM de 2018. D. pós-graduação, atualmente pesquisadora de pós-doutorado em física na Rice University.
“No entanto, as coisas são muito diferentes em nanoescala”, disse Cui. “Um caso extremo são as junções moleculares, nas quais os efeitos quânticos dominam suas propriedades de transporte. Descobrimos que a condutância elétrica cai exponencialmente à medida que o comprimento aumenta, enquanto a condutância térmica é mais ou menos a mesma.”
Previsões teóricas sugerem que a facilidade de movimento do calor na nanoescala se sustenta mesmo quando as cadeias moleculares ficam muito mais longas, 100 nanômetros de comprimento ou mais – aproximadamente 100 vezes o comprimento da cadeia de 10 átomos testada neste estudo. A equipe agora está explorando como investigar se isso é verdade.
Publicado em 19/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-molecular-single-molecule.html
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