Forskere afslører en ny måde, hvorpå varme bevæger sig mellem molekyler

En ny model, udviklet af University of Pennsylvania kemikere, kunne være det første skridt mod bedre udnyttelse af varmeenergi til at drive nanoskala-enheder.

Forskere har længe forstået, at varme bevæger sig gennem vibrationer. Molekyler vibrerer hurtigere og hurtigere, når de opvarmes, og deres vibrationer får andre molekyler omkring dem til også at vibrere, opvarmende køligere nærliggende molekyler. I årtier var dette den eneste kendte måde, varme kunne overføres i organiske molekyler. Først for nylig har forskere haft mulighed for at se nærmere på, hvad der faktisk sker på molekylær skala under varmeoverførsel.

Abraham Nitzan, professor i kemi ved Penn's School of Arts &Science, og Galen Craven, en postdoc i sit laboratorium, brugt ny information om, hvordan man måler temperatur på nanoskala for at gense mekanismen for varmeoverførsel. De skabte en model for at finde ud af, hvordan en temperaturgradient påvirker molekylær interaktion, med fokus på processen med elektronoverførsel.

Deres resultater, offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences , vise, at varmeoverførsel sker, når elektronen bevæger sig mellem to molekyler, der har forskellige temperaturer.

Elektronoverførsel er muligvis den vigtigste proces i kemi, ifølge Nitzan.

"Halvdelen af ​​kemien er elektronoverførselsprocesser, " sagde han. "Det er blevet undersøgt i 100 år på molekylær skala."

Elektroner, den negativt ladede komponent af atomer, kredser om en positivt ladet kerne. I metaller, elektroner kan bevæge sig frit fra molekyle til molekyle, producerer en elektrisk strøm. Elektronoverførsel i organiske molekyler, imidlertid, kræver mere energi. Når et molekyle får energi, en elektron vil "springe" fra et molekyle til at kredse om et andet. Denne elektronoverførselsproces er afgørende for mange almindelige kemiske reaktioner, især dem, der forekommer i biologiske processer.

Mens elektronoverførsel er blevet grundigt undersøgt, først for nylig har videnskabsmænd været i stand til at se på temperaturen på skalaen af ​​atomer og elektroner. I dag, forskere kan opdage temperaturforskelle på skalaen af ​​nogle få nanometer, giver dem mulighed for at se, hvordan forskelle på tværs af individuelle molekyler påvirker deres adfærd.

Denne innovation er det, der inspirerede Nitzan og Craven til at undersøge, hvordan varmeoverførsel sker på molekylært niveau.

"Spørgsmålet vi ønskede at besvare, " sagde Craven, "er, hvad der sker, når donoren og acceptoren er ved forskellige temperaturer."

Nitzan og Craven lavede en række matematiske ligninger for at beskrive præcis det. Med udgangspunkt i de eksperimentelle resultater opnået ved hjælp af nye værktøjer til at måle varmeforskelle over meget små afstande, de skabte en teori om, hvordan elektroner hopper til molekyler med mindre varmeenergi. Deres model viser, at varmeoverførsel faktisk sker, når en elektron overføres til et molekyle med lavere temperatur. De bemærkede også, at sammenlignet med varmeoverførsel via vibration, elektronoverførsel kunne flytte varme så meget som en million gange hurtigere.

Craven mener, at dette kan være en nøgleopdagelse for at forbedre effektiviteten af ​​nanoteknologiske enheder, der er afhængige af små interaktioner for at fungere. På nanoskalaen, bevægelsen af ​​energi fra et molekyle med mere varme til et fra mindre kunne udnyttes til at drive nye teknologier og enheder.

For eksempel, Craven forestiller sig, at computere kunne designes til at bruge varme frem for elektricitet til at udføre logiske operationer. I fortiden, sådanne computere ville være umulige, fordi vibrationsvarmeoverførsel er for langsom og ikke ville generere nok strøm til at køre.

Men, "hvis vi bruger elektronens hastighed til at flytte varme, " sagde Craven, "Vi kunne have disse computere til at fungere med elektriske computeres hastigheder, men bruge varme i stedet for elektriske strømme."

I modsætning til batteristrøm, som bruger en forskel i elektrisk ladning til at generere energi, en computer, der bruger varmegradienter til strøm, kunne have fordele. For eksempel, det kunne bruges i ekstreme miljøer uden frygt for kortslutning.

Penn-forskerne er fortsat forsigtige, imidlertid, om løftet om at anvende denne viden, indtil deres teori er videreudviklet, bemærker, at for en elektron at bære varme, det skal være stærkt forbundet med molekylets vibration, så det kan bære noget af den vibrationsenergi, når det hopper til en anden bane. Mens elektronoverførsel alene kan rejse så meget som en million gange hurtigere, de bemærkede, at disse vibrationer kan få elektronerne til at overføre langsommere.

"Jo stærkere elektroner koblet til vibrationerne, jo mindre elektronhastigheden vil være, " sagde Nitzan. "Elektroner med stærk kobling til vibrationer bærer meget varme, men stærk kobling bremser dig også. Der vil være en balance mellem de to, og det er noget, der skal undersøges i fremtiden."

denne model, imidlertid, er en ny opdagelse af en grundlæggende proces, der vil ændre vores forståelse af, hvordan varmeoverførsel fungerer på molekylært niveau.

"Til sidst er det, vi forestiller os inden for nanoteknologi, energiflow og ladningsoverførsel på nanoskalaen, " sagde Nitzan, "så det er meget vigtigt at kende og forstå, hvordan molekyler interagerer."