Il trasferimento di calore attraverso una singola molecola è stato misurato per la prima volta da un team internazionale di ricercatori guidati dall'Università del Michigan.

Questo potrebbe essere un passo avanti verso il calcolo molecolare:costruire circuiti a partire da molecole piuttosto che ricavarli dal silicio come un modo per massimizzare la legge di Moore e rendere possibili i computer convenzionali più potenti.

La legge di Moore è iniziata come un'osservazione che il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia ogni due anni, raddoppiando la densità di potenza di elaborazione. Il calcolo molecolare è ampiamente ritenuto essere il gioco finale della legge di Moore, ma molti ostacoli si frappongono, uno dei quali è il trasferimento di calore.

"Il calore è un problema nel calcolo molecolare perché i componenti elettronici sono essenzialmente stringhe di atomi che collegano due elettrodi. Quando la molecola si surriscalda, gli atomi vibrano molto rapidamente, e la corda può rompersi, " disse Edgar Meyhofer, Professore UM di ingegneria meccanica.

Fino ad ora, il trasferimento di calore lungo queste molecole non poteva essere misurato, figuriamoci controllato. Ma Meyhofer e Pramod Reddy, anche professore di ingegneria meccanica alla U-M, hanno condotto il primo esperimento osservando la velocità con cui il calore scorre attraverso una catena molecolare. Il loro team includeva ricercatori dal Giappone, Germania e Corea del Sud.

"Mentre gli aspetti elettronici del calcolo molecolare sono stati studiati negli ultimi 15 o 20 anni, i flussi di calore sono stati impossibili da studiare sperimentalmente, " Reddy ha detto. "Il calore più veloce può dissipare dalle giunzioni molecolari, i futuri dispositivi di calcolo molecolare più affidabili potrebbero essere."

Meyhofer e Reddy hanno costruito la capacità di fare questo esperimento per quasi un decennio. Hanno sviluppato un dispositivo di misurazione del calore, o calorimetro, che è quasi totalmente isolato dal resto della stanza, permettendogli di avere un'eccellente sensibilità termica. Hanno riscaldato il calorimetro a circa 20-40 gradi Celsius sopra la temperatura ambiente.

Il calorimetro era dotato di un elettrodo d'oro con una punta di dimensioni nanometriche, circa un millesimo dello spessore di un capello umano. Il gruppo U-M e un team della Kookmin University, visitando Ann Arbor da Seoul, Corea del Sud, preparato un elettrodo d'oro a temperatura ambiente con un rivestimento di molecole (catene di atomi di carbonio).

Hanno unito i due elettrodi fino a quando non si sono appena toccati, che ha permesso ad alcune catene di atomi di carbonio di attaccarsi all'elettrodo del calorimetro. Con gli elettrodi a contatto, il calore fluiva liberamente dal calorimetro, come ha fatto una corrente elettrica. I ricercatori hanno quindi separato lentamente gli elettrodi, in modo che solo le catene di atomi di carbonio li collegassero.

Nel corso della separazione, queste catene continuavano a strapparsi o cadere, uno dopo l'altro. Il team ha utilizzato la quantità di corrente elettrica che scorre attraverso gli elettrodi per dedurre quante molecole sono rimaste. I collaboratori dell'Università di Costanza in Germania e dell'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University in Giappone avevano calcolato la corrente prevista quando rimaneva solo una molecola, nonché il trasferimento di calore previsto attraverso quella molecola.

Quando una singola molecola è rimasta tra gli elettrodi, il team ha tenuto gli elettrodi a quella separazione fino a quando non si è staccato da solo. Ciò provocò un improvviso, minuscolo aumento della temperatura del calorimetro, e da quell'aumento di temperatura, il team ha scoperto quanto calore scorreva attraverso la catena di carbonio a singola molecola.

Hanno condotto esperimenti di flusso di calore con catene di carbonio lunghe da due a 10 atomi, ma la lunghezza della catena non sembrava influenzare la velocità con cui il calore si muoveva attraverso di essa. La velocità di trasferimento del calore era di circa 20 picowatt (20 trilionesimi di watt) per grado Celsius di differenza tra il calorimetro e l'elettrodo tenuto a temperatura ambiente.

"Nel mondo macroscopico, per un materiale come il rame o il legno, la conduttanza termica diminuisce all'aumentare della lunghezza del materiale. Anche la conduttanza elettrica dei metalli segue una regola simile, " disse Longji Cui, primo autore e un Ph.D. 2018 U-M. laureato, attualmente ricercatore post-dottorato in fisica presso la Rice University.

"Però, le cose sono molto diverse su scala nanometrica, " Ha detto Cui. "Un caso estremo sono le giunzioni molecolari, in cui gli effetti quantistici dominano le loro proprietà di trasporto. Abbiamo scoperto che la conduttanza elettrica diminuisce esponenzialmente all'aumentare della lunghezza, mentre la conduttanza termica è più o meno la stessa."

Le previsioni teoriche suggeriscono che la facilità di movimento del calore su scala nanometrica regge anche se le catene molecolari si allungano molto, 100 nanometri di lunghezza o più, circa 100 volte la lunghezza della catena di 10 atomi testata in questo studio. Il team sta ora esplorando come indagare se ciò sia vero.