Hacia computadoras moleculares: primera medición de la transferencia de calor de una sola molécula

La transferencia de calor a través de una sola molécula ha sido medida por primera vez por un equipo internacional de investigadores liderado por la Universidad de Michigan.

Esto podría ser un paso hacia la computación molecular: construir circuitos a partir de moléculas en lugar de extraerlos del silicio como una forma de maximizar la Ley de Moore y hacer posible computadoras convencionales más poderosas.

La Ley de Moore comenzó como una observación de que el número de transistores en un circuito integrado se duplica cada dos años, duplicando la densidad de la potencia de procesamiento.

Se cree que la computación molecular es el juego final de la Ley de Moore, pero muchos obstáculos se interponen en el camino, uno de los cuales es la transferencia de calor.

“El calor es un problema en la computación molecular porque los componentes electrónicos son esencialmente cadenas de átomos que unen dos electrodos.

A medida que la molécula se calienta, los átomos vibran muy rápidamente y la cadena se puede romper”, dijo Edgar Meyhofer, profesor de ingeniería mecánica de la U-M.

Hasta ahora, la transferencia de calor a lo largo de estas moléculas no podía medirse, mucho menos controlarse.

Pero Meyhofer y Pramod Reddy, también profesor de ingeniería mecánica en la U-M, lideraron el primer experimento observando la velocidad a la que el calor fluye a través de una cadena molecular.

Su equipo incluía investigadores de Japón, Alemania y Corea del Sur.

“Si bien los aspectos electrónicos de la computación molecular se han estudiado durante los últimos 15 o 20 años, los flujos de calor han sido imposibles de estudiar experimentalmente”, dijo Reddy.

“Cuanto más rápido se disipe el calor de las uniones moleculares, más fiables serán los dispositivos de computación molecular en el futuro”.

Meyhofer y Reddy han desarrollado la capacidad de realizar este experimento durante casi una década.

Han desarrollado un dispositivo de medición de calor, o calorímetro, que está casi totalmente aislado del resto de la habitación, lo que le permite tener una excelente sensibilidad térmica.

Calentaron el calorímetro a aproximadamente 20 a 40 grados Celsius por encima de la temperatura ambiente.

El calorímetro estaba equipado con un electrodo de oro con una punta de tamaño nanométrico, aproximadamente una milésima del grosor de un cabello humano.

El grupo U-M y un equipo de la Universidad de Kookmin, visitando a Ann Arbor de Seúl, Corea del Sur, prepararon un electrodo de oro a temperatura ambiente con un recubrimiento de moléculas (cadenas de átomos de carbono).

Juntaron los dos electrodos hasta que se tocaron, lo que permitió que algunas cadenas de átomos de carbono se unieran al electrodo del calorímetro.

Con los electrodos en contacto, el calor fluía libremente desde el calorímetro, al igual que una corriente eléctrica.

Luego, los investigadores separaron lentamente los electrodos, de modo que solo las cadenas de los átomos de carbono los conectaron.

A lo largo de la separación, estas cadenas continuaron rasgándose o cayendo, una tras otra.

El equipo utilizó la cantidad de corriente eléctrica que fluye a través de los electrodos para deducir cuántas moléculas quedaron.

Los colaboradores de la Universidad de Constanza en Alemania y el Instituto de Graduados de Ciencia y Tecnología de Okinawa en Japón calcularon la corriente esperada cuando solo quedaba una molécula, así como la transferencia de calor esperada a través de esa molécula.

Cuando una sola molécula permanecía entre los electrodos, el equipo mantuvo los electrodos en esa separación hasta que se separó por sí solo.

Esto causó un aumento repentino y minúsculo de la temperatura del calorímetro, y a partir de ese aumento de temperatura, el equipo descubrió cuánto calor había estado fluyendo a través de la cadena de carbono de una sola molécula.

Llevaron a cabo experimentos de flujo de calor con cadenas de carbono de dos a 10 átomos de longitud, pero la longitud de la cadena no pareció afectar la velocidad a la que el calor se movía a través de ella.

La tasa de transferencia de calor fue de aproximadamente 20 picowatts (20 billones de vatios) por grado Celsius de diferencia entre el calorímetro y el electrodo mantenido a temperatura ambiente.

“En el mundo macroscópico, para un material como el cobre o la madera, la conductancia térmica disminuye a medida que aumenta la longitud del material. La conductancia eléctrica de los metales también sigue una regla similar”, dijo Longji Cui, primer autor y un 2018 UM Ph. RE. Graduado, actualmente investigador postdoctoral en física en la Universidad Rice.

“Sin embargo, las cosas son muy diferentes en la nanoescala”, dijo Cui.

“Un caso extremo son las uniones moleculares, en las que los efectos cuánticos dominan sus propiedades de transporte.

Encontramos que la conductancia eléctrica disminuye exponencialmente a medida que aumenta la longitud, mientras que la conductancia térmica es más o menos la misma”.

Las predicciones teóricas sugieren que la facilidad de movimiento del calor en la nanoescala se mantiene incluso a medida que las cadenas moleculares se vuelven mucho más largas, de 100 nanómetros de longitud o más, aproximadamente 100 veces la longitud de la cadena de 10 átomos probada en este estudio.

El equipo ahora está explorando cómo investigar si eso es cierto.

Fuente: Noticias de la Ciencia