p (Phys.org) - Uma equipe de cientistas da Universidade de Maryland descobriu que, quando a corrente elétrica passa por nanotubos de carbono, objetos próximos aquecem enquanto os próprios nanotubos permanecem frios, como uma torradeira que queima pão sem esquentar. A compreensão desse novo fenômeno completamente inesperado pode levar a novas maneiras de construir processadores de computador que podem funcionar em velocidades mais altas sem superaquecimento. p "Este é um novo fenômeno que estamos observando, exclusivamente em nanoescala, e é completamente contrário à nossa intuição e conhecimento do aquecimento Joule em escalas maiores, por exemplo, em coisas como sua torradeira, "diz o primeiro autor Kamal Baloch, que conduziu a pesquisa enquanto era estudante de graduação na Universidade de Maryland. "Os elétrons do nanotubo estão saltando de alguma coisa, mas não seus átomos. De alguma forma, os átomos dos materiais vizinhos - o substrato de nitreto de silício - estão vibrando e esquentando. "

p "O efeito é um pouco estranho, "admite John Cumings, um professor assistente no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais que supervisionou o projeto de pesquisa. Ele e Baloch apelidaram o fenômeno de "aquecimento remoto por Joule".

p Uma descoberta irreal

p Para os pesquisadores UMD, a experiência da descoberta foi como você ou eu poderíamos ter sentido, E se, em uma manhã aparentemente normal, começamos a fazer café da manhã, apenas para descobrir certas coisas acontecendo que parecem violar a realidade normal. A torrada está queimada, mas a torradeira está fria. O interruptor do fogão está na posição "HI" e o bule está assobiando, mas o queimador não está quente.

p Claro, Baloch, Cumings e seu colega não estavam fazendo café da manhã na cozinha, mas executando experimentos em uma instalação de microscopia eletrônica na Escola de Engenharia A. James Clark da Universidade de Maryland. Eles executaram seus experimentos repetidamente, e o resultado era sempre o mesmo:quando eles passavam uma corrente elétrica por um nanotubo de carbono, o substrato abaixo ficou quente o suficiente para derreter nanopartículas de metal em sua superfície, mas o próprio nanotubo parecia permanecer frio, e também os contatos de metal presos a ele.

p Para nós, não cientistas, sua experiência pode não parecer tão estranha à primeira vista, afinal, os alimentos cozinhados no forno de micro-ondas aquecem enquanto o próprio forno se mantém próximo da temperatura ambiente. O problema é que Baloch e Cumings não geraram intencionalmente um campo de micro-ondas. Eles estavam apenas passando uma corrente elétrica direta através do nanotubo, o que deveria ter causado o aquecimento. Os dados estavam contando a eles uma história que não parecia fazer nenhum sentido - uma sobre uma torradeira conectada que poderia queimar pão sem esquentar.

p Um fenômeno conhecido como "aquecimento Joule" determina que uma corrente elétrica fará com que os elétrons que viajam sejam refletidos nos átomos de um fio de metal, fazendo-os vibrar no lugar. Essas vibrações criam calor, e qualquer fio condutor deve mostrar o efeito, incluindo os elementos de aquecimento de torradeiras, secadores de cabelo, e fogões de mesa elétricos. Os nanotubos de carbono são conhecidos por conduzir eletricidade como fios metálicos em nanoescala, então Baloch e Cumings esperavam ver o mesmo efeito quando passassem a corrente por um nanotubo de carbono.

p Eles usaram uma técnica desenvolvida no laboratório de Cumings chamada microscopia térmica eletrônica, que mapeia onde o calor é gerado em dispositivos elétricos em nanoescala, para observar o efeito da corrente em um nanotubo. Eles esperavam ver o calor viajando ao longo do nanotubo até os contatos de metal presos a ele. Em vez de, o calor parecia saltar diretamente para o substrato de nitreto de silício abaixo, aquecendo-o enquanto deixa o nanotubo relativamente frio.

p Mas como é possível que os elétrons do nanotubo vibrem os átomos do substrato se eles estão separados pela distância, mesmo um medindo em nanômetros? Baloch e Cumings especulam que um "terceiro" está envolvido:campos elétricos.

p "Acreditamos que os elétrons do nanotubo estão criando campos elétricos devido à corrente, e os átomos do substrato estão respondendo diretamente a esses campos, "Cumings explica." A transferência de energia está ocorrendo por meio desses intermediários, e não porque os elétrons do nanotubo estão ricocheteando nos átomos do substrato. Embora haja alguma analogia com um forno de micro-ondas, a física por trás dos dois fenômenos é, na verdade, muito diferente. "

p Baloch acrescenta que o efeito de aquecimento remoto Joule pode ter implicações de longo alcance para a tecnologia de computação. "O que atualmente limita o desempenho do processador de um computador é a velocidade com que ele pode ser executado, e o que limita a velocidade é o fato de que fica muito quente, "ele explica." Se você pudesse encontrar uma maneira de se livrar do calor residual de forma mais eficaz, então ele poderia ser executado mais rápido. Um transistor que não dissipa energia dentro de si na forma de calor, como os nanotubos em nosso experimento, pode ser uma virada de jogo. Este novo mecanismo de transporte térmico permitiria a você projetar seu condutor térmico e condutor elétrico separadamente, escolher as melhores propriedades para cada um sem exigir que os dois sejam do mesmo material ocupando a mesma região do espaço. "

p Para o momento, um ar de mistério ainda envolve o fenômeno, que foi observado apenas em nanoescala, e apenas em materiais de carbono. As próximas etapas são determinar se outros materiais podem produzir o efeito, e se, quais propriedades eles devem ter. "Agora sabemos que o nitreto de silício pode absorver energia de um nanotubo que carrega corrente dessa forma, mas gostaríamos de testar outros materiais, como semicondutores e outros isolantes, "Cumings explica." Se pudermos realmente entender como esse fenômeno funciona, poderíamos começar a projetar uma nova geração de nanoeletrônica com gerenciamento térmico integrado. "

p Esta descoberta foi publicada na edição online antecipada de 8 de abril da Nature Nanotechnology . A pesquisa foi apoiada por uma bolsa do Departamento de Energia dos EUA, Office of Basic Energy Sciences.