Tecnologia Científica

Os pesquisadores investigam as propriedades termoelétricas completas de uma única molécula
Dominar a termocorrente por meio de moléculas únicas é a chave para os coletores de energia termoelétrica com eficiências sem precedentes.
Por Delft University of Technology - 01/03/2021


Pixabay

Um dos sonhos dos físicos hoje é ser capaz de colher eletricidade do calor dissipado. A chave para isso provavelmente reside em circuitos que contêm moléculas únicas. Em vez de ser limitada à condutância clássica, a energia termelétrica pode ser intensificada dramaticamente pelas propriedades dos estados quânticos. Mas então, quais estados quânticos oferecem boa eficiência? Quais características são desejáveis? A teoria geralmente oferece previsões contrastantes. Infelizmente, os experimentos também não forneceram nenhuma prova, uma vez que são notoriamente difíceis de configurar. Mas agora, pesquisadores da Delft University of Technology (TU Delft) em colaboração com UC Louvain, University of Oxford, Northwestern University e Heriot-Watt University fizeram exatamente isso. Eles sondaram experimentalmente as propriedades termoelétricas dependentes de gate e polarização de uma única molécula pela primeira vez. Os resultados foram publicados em Nature Nanotechnology .

Dominar a termocorrente por meio de moléculas únicas é a chave para os coletores de energia termoelétrica com eficiências sem precedentes. No entanto, isso é verdade apenas em teoria, porque testes experimentais detalhados simplesmente não eram possíveis até agora: estudar as propriedades termoelétricas de uma única molécula é uma tarefa difícil que requer a possibilidade de aquecer precisamente um lado de uma única molécula enquanto mantém o outro lado frio. Também requer a capacidade de medir com precisão as diminutas correntes termoelétricas resultantes, que têm apenas alguns fA-pA de tamanho. Além disso, a sintonia dos parâmetros experimentais, como o enviesamento da temperatura aplicada à molécula única e o controle de seu potencial eletroquímico, são vitais para um entendimento completo da física subjacente da termoeletricidade em objetos do tamanho de átomos.

Suposições de longa data

Em um novo artigo, os pesquisadores da TU Delft realizaram um experimento tão desafiador. Eles empregam uma nova metodologia que lhes permite estudar as propriedades elétricas e termoelétricas de uma única molécula simultaneamente, e sobre um grande portão e regime de tensão de polarização.

"Nossos experimentos revelam - pela primeira vez - o papel dos graus internos de liberdade, como vibrações moleculares ou entropia de spin, nas propriedades termoelétricas", diz o ex-pesquisador da TU Delft e professor assistente na UC Louvain Pascal Gehring. "Acessando a função de resposta termoelétrica, obtemos uma visão completa da função de transmissão de moléculas individuais e, assim, verificamos suposições antigas sobre a interação de graus de liberdade eletrônicos, de spin e vibracionais na eletrônica molecular."

Direções sintéticas

As medidas são as primeiras de seu tipo. Eles revelam as diferentes contribuições de diferentes estados e mostram a importância do acoplamento elétron-vibracional e da entropia de spin. Gehring: "Assim, validamos as teorias sobre quais fatores impactam mais crucialmente as propriedades termoelétricas e indicamos as direções sintéticas que influenciam a conversão de calor em energia em moléculas individuais."

Os resultados também fornecem a primeira implementação realista de um projeto molecular. Os pesquisadores descobriram que a resposta termoelétrica de uma única molécula é fortemente impactada por sua entropia, ou em outras palavras, seu estado de desordem. Se a entropia da molécula muda muito ao adicionar um elétron extra a ela (porque, por exemplo, seu grau de liberdade de spin muda), um fator de potência termoelétrica aumentado pode ser obtido. Assim, a engenharia de moléculas únicas com altas entropias espaciais ou de spin seria uma nova maneira promissora de projetar futuros geradores de energia termoelétrica para aplicações de coleta de energia.

 

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