p (Phys.org) - ilustrando a maneira incomum como as coisas funcionam em nanoescala, os cientistas projetaram um novo sistema nanoeletromecânico (NEMS) que produz movimento mecânico devido às interações entre elétrons - embora diferente de sistemas semelhantes, este sistema não requer nenhuma corrente elétrica. Em vez de, as interações elétron-elétron acoplam dois reservatórios de elétrons de diferentes temperaturas, que gera um fluxo de calor entre eles que faz com que um nanotubo de carbono suspenso vibre. p Os pesquisadores, A. Vikström e co-autores da Chalmers University of Technology em Göteborg, Suécia, e o Instituto B. Verkin de Física e Engenharia de Baixa Temperatura da Academia Nacional de Ciências da Ucrânia em Kharkov, Ucrânia, publicaram um artigo sobre o dispositivo NEMS em uma edição recente da Cartas de revisão física .

p "Dispositivos microscópicos que combinam eletrônica com mecânica - MEMS (sistemas microeletromecânicos) - são onipresentes no mundo moderno, "Vikström disse Phys.org . "Os sensores dentro de nossos smartphones que determinam a aceleração, orientação, etc, são bons exemplos. À medida que os dispositivos eletrônicos ficam menores, há um esforço contínuo para substituir essas estruturas microscópicas por estruturas nanoscópicas - NEMS. Nossa pesquisa pertence a esta categoria; nós propomos, modelo, e estudar novos dispositivos NEMS. O motor térmico NEMS que sugerimos é especial porque converte um fluxo de calor em movimento mecânico sem exigir nem gerar corrente elétrica. "

p Embora tenha havido outras propostas em que fenômenos de elétron único causam vibrações mecânicas em dispositivos NEMS, esses mecanismos normalmente requerem uma corrente elétrica. Se essa corrente estiver bloqueada, então, esses mecanismos não funcionam mais.

p O novo mecanismo proposto difere por bloquear intencionalmente qualquer corrente elétrica. O sistema consiste em um nanotubo de carbono suspenso entre dois cabos de eletrodo, com o par de terminais atuando como um reservatório de elétrons. Um eletrodo de ponta acima do nanotubo atua como um segundo reservatório, contendo elétrons com spin oposto aos elétrons do primeiro reservatório. Os elétrons podem criar um túnel livremente de seus reservatórios para o nanotubo e vice-versa. Mas, como os elétrons de diferentes reservatórios têm spins opostos, eles não podem viajar para o reservatório oposto, e, portanto, não há transferência de carga.

p As coisas começam a ficar interessantes quando os reservatórios de elétrons têm temperaturas diferentes. Então, quando os elétrons frios de um reservatório e os elétrons quentes do outro túnel de reservatório para o nanotubo, eles interagem e o calor é transferido dos elétrons quentes para os frios. Quando os elétrons frios fazem um túnel de volta ao seu reservatório frio, eles carregam energia extra, enquanto os elétrons quentes retornam ao seu reservatório quente com menos energia.

p Se o reservatório da ponta estiver mais quente do que o reservatório do eletrodo, então, o fluxo de calor resultante irá desviar ligeiramente o nanotubo suspenso em direção a este reservatório. Ao aproximar o nanotubo e o reservatório da ponta, esta deflexão aumenta a taxa de tunelamento entre eles. O aumento do tunelamento produz um mecanismo de feedback, mas com uma resposta atrasada, fazendo com que o nanotubo vibre. Eventualmente, a amplitude de vibração se estabiliza, uma vez que a eficiência de bombeamento diminui com a amplitude. Ajustando as temperaturas dos reservatórios, os pesquisadores mostraram que a direção e a força do mecanismo de feedback podem ser controladas, e as vibrações podem ser bombeadas ou amortecidas.

p Uma vez que o sistema usa fluxo de calor para gerar movimento mecânico, ele atua efetivamente como um motor térmico em nanoescala. A eficiência do motor aumenta à medida que a diferença de temperatura aumenta, e os pesquisadores estimam que a eficiência máxima é de alguns por cento, limitado por fatores geométricos ao invés da diferença de temperatura. Os pesquisadores esperam que o sistema possa ter uma variedade de usos.

p "Se você considerar o conceito geral de um motor térmico e imaginá-lo no contexto de um circuito eletrônico, é fácil imaginar os benefícios, "Disse Vikström." O calor está sempre presente nos circuitos elétricos como um subproduto. Esse calor geralmente é apenas um desperdício de energia, mas se você pudesse aproveitá-lo para, dizer, alimentar outros dispositivos NEMS integrados, você teria um sistema mais eficiente em termos de energia. "

p Os pesquisadores explicam que o projeto proposto pode ser realizado experimentalmente usando as técnicas existentes. Eles sugerem que as vibrações podem ser detectadas pela aplicação de um campo magnético perpendicular ao movimento do nanotubo, o que faria com que uma carga no nanotubo experimentasse uma força que alterna com a deflexão. A corrente alternada que geraria poderia então ser medida, fornecendo evidências das vibrações do nanotubo. p © 2016 Phys.org