Um novo modelo, desenvolvido por químicos da Universidade da Pensilvânia, poderia ser o primeiro passo para um melhor aproveitamento da energia térmica para alimentar dispositivos em nanoescala.

Os cientistas há muito entenderam que o calor viaja por meio de vibrações. As moléculas vibram cada vez mais rápido à medida que aquecem, e suas vibrações fazem com que outras moléculas ao seu redor vibrem também, aquecendo moléculas próximas mais frias. Por décadas, esta foi a única maneira conhecida de transferir calor em moléculas orgânicas. Só recentemente os pesquisadores conseguiram examinar mais de perto o que realmente acontece na escala molecular durante a transferência de calor.

Abraham Nitzan, professor de química na Escola de Artes e Ciências da Penn, e Galen Craven, um pós-doutorado em seu laboratório, usou novas informações sobre como medir a temperatura em nanoescala para revisitar o mecanismo de transferência de calor. Eles criaram um modelo para descobrir como um gradiente de temperatura afeta a interação molecular, focando no processo de transferência de elétrons.

Suas descobertas, publicado no Proceedings of the National Academy of Sciences , mostram que a transferência de calor ocorre quando o elétron se move entre duas moléculas que estão em temperaturas diferentes.

A transferência de elétrons é possivelmente o processo mais importante na química, de acordo com Nitzan.

"Metade da química são os processos de transferência de elétrons, "ele disse." Foi investigado por 100 anos em escala molecular.

Elétrons, o componente carregado negativamente dos átomos, orbitar um núcleo carregado positivamente. Em metais, elétrons podem se mover livremente de molécula para molécula, produzindo uma corrente elétrica. Transferência de elétrons em moléculas orgânicas, Contudo, requer mais energia. Quando uma molécula é energizada, um elétron "saltará" de uma molécula para orbitar outra. Este processo de transferência de elétrons é essencial para muitas reações químicas comuns, especialmente aqueles que ocorrem em processos biológicos.

Embora a transferência de elétrons tenha sido meticulosamente estudada, apenas recentemente os cientistas foram capazes de observar a temperatura na escala de átomos e elétrons. Hoje, os cientistas podem detectar diferenças de temperatura na escala de alguns nanômetros, permitindo-lhes ver como as diferenças entre as moléculas individuais afetam seu comportamento.

Essa inovação é o que inspirou Nitzan e Craven a investigar como ocorre a transferência de calor em nível molecular.

"A pergunta que queríamos responder, "disse Craven, "é o que acontece quando o doador e o receptor estão em temperaturas diferentes."

Nitzan e Craven fizeram uma série de equações matemáticas para descrever exatamente isso. Com base nos resultados experimentais obtidos usando novas ferramentas para medir as diferenças de calor em distâncias muito pequenas, eles criaram uma teoria de como os elétrons saltam para as moléculas com menos energia térmica. Seu modelo mostra que a transferência de calor ocorre de fato quando um elétron é transferido para uma molécula de temperatura mais baixa. Eles também observaram que, em comparação com a transferência de calor por vibração, a transferência de elétrons pode mover o calor até um milhão de vezes mais rápido.

Craven acredita que esta pode ser uma descoberta chave para melhorar a eficiência dos dispositivos de nanotecnologia que dependem de interações em pequena escala para operar. Na nanoescala, o movimento de energia de uma molécula com mais calor para outra com menos poderia ser aproveitado para alimentar tecnologias e dispositivos emergentes.

Por exemplo, Craven imagina que os computadores poderiam ser projetados para usar calor em vez de eletricidade para realizar operações lógicas. No passado, tais computadores seriam impossíveis porque a transferência de calor vibracional é muito lenta e não geraria energia suficiente para funcionar.

Mas, "se estivermos usando a velocidade do elétron para mover o calor, "disse Craven, "poderíamos ter esses computadores operando na velocidade de computadores elétricos, mas usando calor em vez de correntes elétricas."

Ao contrário da bateria, que usa uma diferença na carga elétrica para gerar energia, um computador que usa gradientes de calor para gerar energia pode ter vantagens. Por exemplo, ele pode ser usado em ambientes extremos sem medo de curto-circuito.

Os pesquisadores da Penn permanecem cautelosos, Contudo, sobre a promessa de aplicar este conhecimento até que sua teoria seja desenvolvida, notar que, para um elétron transportar calor, deve estar fortemente associado à vibração da molécula para que possa carregar parte dessa energia vibracional quando pular para outra órbita. Embora a transferência de elétrons sozinha possa viajar até um milhão de vezes mais rápido, eles notaram que essas vibrações podem fazer com que os elétrons se transfiram mais lentamente.

"Quanto mais elétrons forem acoplados às vibrações, quanto menor será a velocidade do elétron, "disse Nitzan." Elétrons com forte acoplamento a vibrações carregam muito calor, mas o acoplamento forte também retarda você. Haverá um equilíbrio entre os dois, e isso é algo para investigar no futuro. "

Este modelo, Contudo, é uma nova descoberta de um processo fundamental que mudará nossa compreensão de como a transferência de calor funciona em um nível molecular.

"Eventualmente, o que imaginamos na nanotecnologia é o fluxo de energia e a transferência de carga em nanoescala, "disse Nitzan, "por isso é muito importante conhecer e compreender adequadamente como as moléculas interagem."