Создан тепловой нанодвигатель, не требующий электричества

«Микроскопические устройства, сочетающие электронику с механикой (МЭМС), широко распространены в современном мире, — говорит А. Викстрем из Технологического университета Чалмерса в Гетеборге. — Сенсоры внутри смартфонов, определяющие ускорение, положение и т. д. — вот хорошие примеры. С уменьшением электронных приборов происходят постоянные попытки заменить эти микроскопические структуры наноскопическими, НЭМС. Тепловой двигатель НЭМС, который мы предлагаем, отличается тем, что превращает тепловой поток в механическое движение, не требуя и не вырабатывая электрический ток».

Обычно подобные устройства требуют наличия тока и не работают при его отсутствии. Новый механизм состоит из углеродной нанотрубки, подвешенной между двумя выводами электрода, где пара выводов действует как контейнер для одного электрона. Электрод над нанотрубкой действует как второй контейнер, содержащий электрон с противоположным спином. Электроны свободно перемещаются между контейнерами к нанотрубке и обратно. Но поскольку электроны из других контейнеров обладают противоположными спинами, они не могут заходить в противоположный контейнер, поэтому перенос заряда не происходит.

Все становится интересней, когда температура контейнеров электронов начинает отличаться. Когда холодные электроны из одного контейнера и горячие из другого движутся к нанотрубке, они взаимодействуют, и тепло переносится от горячего к холодному электрону. Когда холодные электроны возвращаются в свой холодный контейнер, они несут дополнительную энергию, тогда как горячие электроны возвращаются с меньшим запасом энергии.

Если верхний контейнер горячее, тогда поток тепла слегка сдвигает нанотрубку к этому контейнеру. Это повышает время туннелирования между ними, которое создает механизм обратной связи, но с отложенным откликом, что приводит к вибрации нанотрубки.

Управляя температурами контейнеров, ученые продемонстрировали возможность контроля за направлением и силой механизма отклика и усилением или снижением уровня вибрации. И видят для своего изобретения несколько вариантов применения, пишет Phys.org.

«Тепло всегда в наличии в электрических цепях как побочный продукт, — говорит Викстрем. — Обычно эта энергия тратится впустую, но если найти ей применение, скажем, для запуска интегрированного устройства НЭМС, система станет более энергосберегающей».

Летом ученые Сингапура первыми продемонстрировали возможности шагающего наномотора с наивысшей топливной эффективностью среди всех типов подобных устройств, известных на сегодняшний день. Скорость передвижения механизма длиной 20 нм достигает 3 нм в минуту.