Estudo esclarece o trade-off entre ruído e potência em motores térmicos em nanoescala

Graças a dispositivos em nanoescala tão pequenos quanto células humanas, pesquisadores podem criar propriedades de materiais inovadoras, levando a eletrônicos menores, mais rápidos e mais eficientes em termos de energia. No entanto, para desbloquear totalmente o potencial da nanotecnologia, lidar com o ruído é essential.

Uma equipe de pesquisa da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, deu um passo significativo para desvendar restrições fundamentais ao ruído, abrindo caminho para a futura nanoeletrônica.

A nanotecnologia está avançando rapidamente, capturando interesse generalizado em setores como comunicações e produção de energia. No nível nano — equivalente a um milionésimo de milímetro — as partículas aderem às leis da mecânica quântica. Ao aproveitar essas propriedades, os materiais podem ser projetados para exibir condutividade, magnetismo e eficiência energética aprimorados.

“Hoje, testemunhamos o impacto tangível da nanotecnologia — dispositivos em nanoescala são ingredientes para tecnologias mais rápidas e nanoestruturas tornam os materiais para produção de energia mais eficientes”, diz Janine Splettstösser, Professora de Física Quântica Aplicada na Chalmers.

Dispositivos menores que a célula humana desbloqueiam novas propriedades eletrônicas e termoelétricas

Para manipular correntes de carga e energia até o nível de um único elétron, os pesquisadores usam o que é chamado dispositivos em nanoescalasistemas menores que células humanas. Esses sistemas nanoeletrônicos podem atuar como “pequenos motores” realizando tarefas específicasaproveitando propriedades mecânicas quânticas.

“Na nanoescala, os dispositivos podem ter propriedades inteiramente novas e desejáveis. Esses dispositivos, que são de cem a dez mil vezes menores que uma célula humana, permitem projetar processos de conversão de energia altamente eficientes”, diz Ludovico Tesser, aluno de doutorado em Física Quântica Aplicada na Chalmers College of Know-how.

Navegando no nano-ruído: um desafio essential

No entanto, o ruído representa um obstáculo significativo no avanço dessa pesquisa em nanotecnologia. Esse ruído disruptivo é criado por flutuações de carga elétrica e efeitos térmicos dentro dos dispositivos, dificultando o desempenho preciso e confiável. Apesar dos esforços extensivos, os pesquisadores ainda precisam descobrir até que ponto esse ruído pode ser eliminado sem dificultar a conversão de energia, e nossa compreensão de seus mecanismos permanece limitada. Mas agora uma equipe de pesquisa da Chalmers conseguiu dar um passo importante na direção certa.

Em seu estudo, “Limites de flutuação-dissipação fora do equilíbrio” publicado como sugestão do editor em Cartas de revisão físicaeles investigaram motores de calor termoelétricos em nanoescala. Esses dispositivos especializados são projetados para controlar e converter calor residual em energia elétrica.

“Todos os eletrônicos emitem calor e recentemente tem havido muito esforço para entender como, no nível nano, esse calor pode ser convertido em energia útil. Pequenos motores térmicos termoelétricos aproveitam as propriedades mecânicas quânticas e os efeitos não térmicos e, como pequenas usinas de energia, podem converter o calor em energia elétrica em vez de deixá-lo ir para o lixo”, diz o professor Splettstösser.

Equilibrando ruído e potência em motores térmicos em nanoescala

No entanto, os motores térmicos termoelétricos em nanoescala funcionam melhor quando sujeitos a diferenças significativas de temperatura. Estes variações de temperatura tornar o ruído já desafiador que os pesquisadores estão enfrentando ainda mais difícil de estudar e entender. Mas agora, os pesquisadores da Chalmers conseguiram lançar luz sobre um trade-off crítico entre ruído e energia em termoelétricas aquecer motores.

“Podemos provar que existe uma restrição basic ao ruído que afeta diretamente o desempenho do ‘motor.’ Por exemplo, não só podemos ver que se você quer que o dispositivo produza muita energia, você precisa tolerar níveis de ruído mais altos, mas também a quantidade exata de ruído”, diz Ludovico Tesser.

“Ele esclarece uma relação de troca, ou seja, o quanto barulho é preciso perseverar para extrair uma quantidade específica de energia desses motores em nanoescala. Esperamos que essas descobertas possam servir como uma diretriz na área que vai adiante para projetar dispositivos termoelétricos em nanoescala com alta precisão.”