(Phys.org) -- Un team di scienziati dell'Università del Maryland ha scoperto che quando la corrente elettrica passa attraverso i nanotubi di carbonio, gli oggetti vicini si riscaldano mentre i nanotubi stessi rimangono freschi, come un tostapane che brucia il pane senza scaldarsi. Comprendere questo nuovo fenomeno completamente inaspettato potrebbe portare a nuovi modi di costruire processori per computer che possono funzionare a velocità più elevate senza surriscaldarsi.

"Questo è un nuovo fenomeno che stiamo osservando, esclusivamente su scala nanometrica, ed è completamente contrario alla nostra intuizione e conoscenza del riscaldamento Joule su scale più grandi, ad esempio, in cose come il tuo tostapane, " dice il primo autore Kamal Baloch, che ha condotto la ricerca mentre era uno studente laureato presso l'Università del Maryland. "Gli elettroni del nanotubo stanno rimbalzando su qualcosa, ma non i suoi atomi. In qualche modo, gli atomi dei materiali vicini, il substrato di nitruro di silicio, vibrano e si surriscaldano".

"L'effetto è un po' strano, " ammette John Cumings, un ricercatore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali che ha curato il progetto di ricerca. Lui e Baloch hanno soprannominato il fenomeno "riscaldamento Joule remoto".

Una scoperta irreale

Per i ricercatori dell'UMD, l'esperienza della scoperta è stata come quella che tu o io avremmo potuto provare, Se, in una mattina apparentemente normale, iniziammo a fare colazione, solo per scoprire che accadono certe cose che sembrano violare la realtà normale. Il brindisi è bruciato, ma il tostapane è freddo. L'interruttore del fornello è in posizione "HI" e la teiera fischia, ma il bruciatore non è caldo.

Certo, Beluci, Cumings e il loro collega non stavano preparando la colazione in cucina, ma eseguendo esperimenti in una struttura di microscopia elettronica presso la A. James Clark School of Engineering dell'Università del Maryland. Hanno eseguito i loro esperimenti più e più volte, e il risultato era sempre lo stesso:quando facevano passare una corrente elettrica attraverso un nanotubo di carbonio, il substrato sottostante divenne abbastanza caldo da fondere nanoparticelle metalliche sulla sua superficie, ma il nanotubo stesso sembrava rimanere fresco, e così anche i contatti metallici ad esso collegati.

Per noi non scienziati, la loro esperienza potrebbe non sembrare così strana a prima vista, dopotutto, il cibo cotto in un forno a microonde diventa caldo mentre il forno stesso rimane vicino alla temperatura ambiente. Il problema è che Baloch e Cumings non stavano generando intenzionalmente un campo a microonde. Stavano solo facendo passare una corrente elettrica continua attraverso il nanotubo, che avrebbe dovuto farlo surriscaldare. I dati stavano raccontando loro una storia che non sembrava avere alcun senso, quella su un tostapane collegato alla corrente che poteva bruciare il pane senza surriscaldarsi.

Un fenomeno noto come "riscaldamento Joule" impone che una corrente elettrica farà rimbalzare gli elettroni in viaggio sugli atomi di un filo metallico, facendoli vibrare sul posto. Queste vibrazioni creano calore, e qualsiasi filo conduttore dovrebbe mostrare l'effetto, compresi gli elementi riscaldanti dei tostapane, asciugacapelli, e piastre elettriche. È noto che i nanotubi di carbonio conducono elettricità come i fili metallici su scala nanometrica, così Baloch e Cumings si aspettavano di vedere lo stesso effetto quando passavano la corrente attraverso un nanotubo di carbonio.

Hanno usato una tecnica sviluppata nel laboratorio di Cumings chiamata microscopia termica elettronica, che mappa dove viene generato il calore nei dispositivi elettrici su scala nanometrica, osservare l'effetto della corrente su un nanotubo. Si aspettavano di vedere il calore viaggiare lungo la lunghezza del nanotubo fino ai contatti metallici ad esso collegati. Anziché, il calore sembrava saltare direttamente al substrato di nitruro di silicio sottostante, riscaldandolo lasciando il nanotubo relativamente freddo.

Ma com'è possibile che gli elettroni del nanotubo facciano vibrare gli atomi del substrato se sono separati dalla distanza, anche uno che misura in nanometri? Baloch e Cumings ipotizzano che sia coinvolta una "terza parte":i campi elettrici.

"Crediamo che gli elettroni del nanotubo stiano creando campi elettrici a causa della corrente, e gli atomi del substrato rispondono direttamente a quei campi, " Spiega Cumings. "Il trasferimento di energia avviene attraverso questi intermediari, e non perché gli elettroni del nanotubo rimbalzano sugli atomi del substrato. Anche se c'è qualche analogia con un forno a microonde, la fisica dietro i due fenomeni è in realtà molto diversa."

Baloch aggiunge che l'effetto di riscaldamento Joule remoto potrebbe avere implicazioni di vasta portata per la tecnologia informatica. "Ciò che attualmente limita le prestazioni del processore di un computer è la velocità con cui può funzionare, e ciò che limita la velocità è il fatto che fa troppo caldo, " spiega. "Se potessi trovare un modo per sbarazzarti del calore disperso in modo più efficace, allora potrebbe funzionare più velocemente. Un transistor che non disperda energia al suo interno sotto forma di calore, come i nanotubi nel nostro esperimento, potrebbe essere un punto di svolta. Questo nuovo meccanismo di trasporto termico ti consentirebbe di progettare separatamente il conduttore termico e il conduttore elettrico, scegliendo le migliori proprietà per ciascuno senza richiedere che i due siano lo stesso materiale che occupi la stessa regione di spazio."

Per il momento, un alone di mistero avvolge ancora il fenomeno, che è stato osservato solo su scala nanometrica, e solo in materiali di carbonio. I prossimi passi sono determinare se altri materiali possono produrre l'effetto, e se così fosse, quali proprietà devono avere. "Ora sappiamo che il nitruro di silicio può assorbire energia da un nanotubo che trasporta corrente in questo modo, ma vorremmo testare altri materiali, come semiconduttori e altri isolanti, " Spiega Cumings.  "Se riusciamo davvero a capire come funziona questo fenomeno, potremmo iniziare a progettare una nuova generazione di nanoelettronica con gestione termica integrata".

Questa scoperta è stata pubblicata nel numero anticipato online dell'8 aprile di Nanotecnologia della natura . La ricerca è stata supportata da una sovvenzione del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti, Ufficio delle scienze energetiche di base.