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.

Isso poderia ser um passo em direção à computação molecular - construir circuitos a partir de moléculas em vez de esculpi-los em silício como uma 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. A computação molecular é amplamente considerada como o jogo final da Lei de Moore, mas muitos obstáculos se interpõem no caminho, um dos quais é a transferência de calor.

"O calor é um problema na computação molecular porque os componentes eletrônicos são essencialmente cadeias de átomos ligando 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 pôde ser medida, muito menos controlado. Mas Meyhofer e Pramod Reddy, também professor de engenharia mecânica na U-M, conduziram o primeiro experimento observando a taxa em que o calor flui através de uma cadeia molecular. Sua equipe incluiu pesquisadores do Japão, Alemanha e Coréia do Sul.

"Embora os aspectos eletrônicos da computação molecular tenham sido estudados nos últimos 15 ou 20 anos, fluxos de calor têm sido impossíveis de estudar experimentalmente, "Disse Reddy." Quanto mais rápido o calor pode se dissipar das junções moleculares, os futuros dispositivos de computação molecular mais confiáveis ​​poderiam ser. "

Meyhofer e Reddy vêm desenvolvendo a capacidade de fazer esse experimento há quase uma década. Eles desenvolveram um dispositivo de medição de calor, ou calorímetro, que está quase totalmente isolado do resto da sala, permitindo que 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 nanométrica, aproximadamente um milésimo da espessura de um cabelo humano. O grupo U-M e uma equipe da Universidade Kookmin, visitando Ann Arbor de Seul, Coreia do Sul, preparou um eletrodo de ouro à temperatura ambiente com um revestimento de moléculas (cadeias de átomos de carbono).

Eles trouxeram os dois eletrodos juntos até que eles apenas 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 uma corrente elétrica. Os pesquisadores então lentamente separaram os eletrodos, de modo que apenas as cadeias de átomos de carbono os conectassem.

Ao longo da separação, essas correntes continuaram a rasgar ou cair, um após o outro. A equipe usou a quantidade de corrente elétrica que flui pelos eletrodos para deduzir quantas moléculas permaneceram. Colaboradores da Universidade de Konstanz, na Alemanha, e da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, no Japão, calcularam a corrente esperada quando restava apenas uma molécula - bem como a transferência de calor esperada através dessa molécula.

Quando uma única molécula permaneceu entre os eletrodos, a equipe segurou os eletrodos naquela separação até que se separou por conta própria. Isso causou de repente, aumento 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 realizaram experimentos de fluxo de calor com cadeias de carbono entre dois e 10 átomos de comprimento, mas o comprimento da corrente não parecia afetar a taxa com que o calor se movia através dela. A taxa de transferência de calor era de cerca de 20 picowatts (20 trilionésimos de watt) por grau Celsius de diferença entre o calorímetro e o eletrodo mantido em 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 semelhante, "disse Longji Cui, primeiro autor e um U-M Ph.D. 2018 graduado, atualmente é pesquisador de pós-doutorado em física na Rice University.

"Contudo, as coisas são muito diferentes em nanoescala, "Cui disse." Um caso extremo são as junções moleculares, em que 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. "

As previsões teóricas sugerem que a facilidade de movimento do calor em nanoescala se mantém mesmo quando as cadeias moleculares ficam muito mais longas, 100 nanômetros ou mais de comprimento - cerca de 100 vezes o comprimento da cadeia de 10 átomos testada neste estudo. A equipe agora está explorando como investigar se isso é verdade.