Физики из Аугсбургского и Мичиганского университетов впервые на практике доказали, что замена единственного атома в органической молекуле способна радикально изменить характеристики передачи тепла. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Materials.
Управление тепловыми потоками в наноструктурах — одна из ключевых задач современной инженерии, от решения которой зависит создание новых термоэлектрических генераторов и эффективных систем охлаждения для сверхмощных процессоров. Международная группа ученых доказала, что ювелирные манипуляции всего с одним атомом в молекулярной цепи способны избирательно тормозить тепло.
Изоляция тепла без потери тока
Эксперимент строился вокруг молекулы бензолдиамина, которая выступала в роли крошечного моста между двумя золотыми контактными электродами. Исследователи последовательно заменяли один атом водорода в бензольном кольце на все более тяжелые галогены: фтор, хлор, бром и йод. Результаты оказались поразительными: электрическая проводимость цепи практически не менялась, тогда как способность пропускать фононы (вибрации решетки, переносящие тепло) падала прямо пропорционально массе нового атома.
Для фиксации столь ничтожных потоков энергии физикам пришлось разработать новый калориметрический датчик на основе нитрида ниобия. Оборудование работало при криогенных температурах около минус 180 °C. Это было необходимо, чтобы позволило полностью исключить тепловой фоновый шум и достичь небывалого разрешения измерений прямо на острие зонда сканирующего микроскопа.
Слом симметрии молекулы
Теоретическую базу для понимания этого феномена подготовили физики из Аугсбурга. Вычисления показали, что встраивание тяжелого атома нарушает идеальную симметрию молекулы. Это сбивает конструктивную интерференцию между внутренними вибрационными модами решетки. При добавлении самых тяжелых элементов, таких как бром или йод, в системе возникают мощные антирезонансы, дополнительно гасящие тепловой поток почти в два раза.
Это фундаментальное открытие доказывает, что инженеры могут управлять электрическим током и теплопередачей совершенно независимо друг от друга в микроскопических масштабах. Подобный подход к одноатомному замещению в будущем позволит конструировать невероятно эффективные металлоорганические каркасы и термоматериалы, которые будут идеально проводить электричество, но при этом блокировать опасный перегрев системы.
Ранее Наука Mail рассказывала, что физики зафиксировали рекордный уровень квантовой когерентности вибраций в полупроводниках из арсенида бора.
