Un nuovo modello, sviluppato dai chimici dell'Università della Pennsylvania, potrebbe essere il primo passo verso un migliore sfruttamento dell'energia termica per alimentare dispositivi su scala nanometrica.

Gli scienziati hanno capito da tempo che il calore viaggia attraverso le vibrazioni. Le molecole vibrano sempre più velocemente mentre si riscaldano, e le loro vibrazioni fanno vibrare anche altre molecole intorno a loro, riscaldare le molecole vicine più fredde. Per decenni questo è stato l'unico modo noto per trasferire il calore nelle molecole organiche. Solo di recente i ricercatori hanno avuto la possibilità di esaminare più da vicino ciò che accade effettivamente su scala molecolare durante il trasferimento di calore.

Abraham Nitzán, professore di chimica alla Penn's School of Arts &Science, e Galen Craven, un postdoc nel suo laboratorio, ha utilizzato nuove informazioni su come misurare la temperatura su scala nanometrica per rivisitare il meccanismo del trasferimento di calore. Hanno creato un modello per scoprire come un gradiente di temperatura influenza l'interazione molecolare, concentrandosi sul processo di trasferimento di elettroni.

Le loro scoperte, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , mostrano che il trasferimento di calore avviene quando l'elettrone si muove tra due molecole che si trovano a temperature diverse.

Il trasferimento di elettroni è forse il processo più importante in chimica, secondo Nitzan.

"Metà della chimica sono processi di trasferimento di elettroni, " ha detto. "È stato studiato per 100 anni su scala molecolare".

elettroni, la componente caricata negativamente degli atomi, orbitano attorno a un nucleo carico positivamente. Nei metalli, gli elettroni possono muoversi liberamente da una molecola all'altra, producendo una corrente elettrica. Trasferimento di elettroni in molecole organiche, però, richiede più energia. Quando una molecola è eccitata, un elettrone "salta" da una molecola all'orbita di un'altra. Questo processo di trasferimento di elettroni è essenziale per molte reazioni chimiche comuni, soprattutto quelli che si verificano nei processi biologici.

Mentre il trasferimento di elettroni è stato studiato meticolosamente, solo di recente gli scienziati sono stati in grado di osservare la temperatura sulla scala degli atomi e degli elettroni. Oggi, gli scienziati possono rilevare differenze di temperatura sulla scala di pochi nanometri, permettendo loro di vedere come le differenze tra le singole molecole influenzano il loro comportamento.

Questa innovazione è ciò che ha ispirato Nitzan e Craven a studiare come avviene il trasferimento di calore a livello molecolare.

"La domanda a cui volevamo rispondere, "disse Craven, "è quello che succede quando il donatore e l'accettore sono a temperature diverse".

Nitzan e Craven hanno creato una serie di equazioni matematiche per descrivere esattamente questo. Basandosi sui risultati sperimentali ottenuti utilizzando nuovi strumenti per misurare le differenze di calore su distanze molto piccole, hanno creato una teoria su come gli elettroni saltano alle molecole con meno energia termica. Il loro modello mostra che il trasferimento di calore avviene in effetti quando un elettrone si trasferisce a una molecola a temperatura più bassa. Hanno inoltre osservato che, rispetto al trasferimento di calore tramite vibrazione, il trasferimento di elettroni potrebbe spostare il calore fino a un milione di volte più velocemente.

Craven ritiene che questa potrebbe essere una scoperta chiave per migliorare l'efficienza dei dispositivi nanotecnologici che si basano su interazioni su piccola scala per funzionare. Su scala nanometrica, il movimento di energia da una molecola con più calore a una con meno potrebbe essere sfruttato per alimentare tecnologie e dispositivi emergenti.

Ad esempio, Craven immagina che i computer potrebbero essere progettati per utilizzare il calore anziché l'elettricità per eseguire operazioni logiche. Nel passato, tali computer sarebbero impossibili perché il trasferimento di calore vibrazionale è troppo lento e non genererebbe energia sufficiente per funzionare.

Ma, "se usiamo la velocità dell'elettrone per spostare il calore, "disse Craven, "Potremmo far funzionare questi computer alla velocità dei computer elettrici ma utilizzando il calore invece delle correnti elettriche".

A differenza della batteria, che utilizza una differenza di carica elettrica per generare energia, un computer che utilizza gradienti di calore per l'alimentazione potrebbe avere dei vantaggi. Ad esempio, potrebbe essere utilizzato in ambienti estremi senza timore di cortocircuiti.

I ricercatori della Penn restano cauti, però, sulla promessa di applicare questa conoscenza fino a quando la loro teoria non sarà ulteriormente sviluppata, notando che, perché un elettrone porti calore, deve essere fortemente associato alla vibrazione della molecola in modo che possa trasportare parte di quell'energia vibrazionale quando salta su un'altra orbita. Mentre il solo trasferimento di elettroni può viaggiare fino a un milione di volte più velocemente, hanno notato che queste vibrazioni possono far sì che gli elettroni si trasferiscano più lentamente.

"Più fortemente gli elettroni si accoppiano alle vibrazioni, minore sarà la velocità dell'elettrone, " disse Nitzan. "Gli elettroni con un forte accoppiamento alle vibrazioni trasportano molto calore, ma anche un forte accoppiamento ti rallenta. Ci sarà un equilibrio tra i due, e questo è qualcosa da indagare in futuro."

Questo modello, però, è una nuova scoperta di un processo fondamentale che cambierà la nostra comprensione di come funziona il trasferimento di calore a livello molecolare.

"Alla fine, ciò che immaginiamo nella nanotecnologia è il flusso di energia e il trasferimento di carica su scala nanometrica, " disse Nitzan, "quindi è molto importante conoscere e capire correttamente come interagiscono le molecole".