Глобальное потепление - не единственное, что ощущают ученые. Еще одна область, в которой тепловой поток становится решающим, - это область молекулярной электроники, где молекулы с длинной цепью, прикрепленные к крошечным электродам, используются для переноса и переключения электронов.
«То, как электроны проходят через молекулярные провода, было изучено, но меньше внимания уделялось тому, как течет тепло», - сказала Дана Длотт, физико-химик из Университета Иллинойса. «Одна из проблем заключалась в отсутствии метода измерения, который мог бы работать на коротких расстояниях, в короткие промежутки времени и при больших скачках температуры."
Как сообщалось в выпуске журнала Science от 10 августа, Длотт, профессор инженерии Дэвид Кэхилл и его коллеги из Иллинойса разработали метод сверхбыстрых тепловых измерений, способный исследовать перенос тепла в протяженных молекулах, прикрепленных одним концом к металлическая поверхность.
«Возможность выборочного зондирования атомных групп, завершающих цепи, позволяет нам исследовать перенос тепла через сами цепные молекулы», - сказал Длотт.
Для изучения теплового потока через длинноцепочечные углеводородные молекулы, прикрепленные к золотой подложке, исследователи использовали метод сверхбыстрого лазерного спектрометра с пикосекундным временным разрешением (пикосекунда составляет 1 миллионную часть секунды).
Во-первых, вспышка фемтосекундного лазера (фемтосекунда равна 1000 пикосекунды) нагрела подложку примерно до 800 градусов Цельсия за одну пикосекунду. Это тепло быстро перетекало в основание молекул углеводородов и по цепям.
Когда тепло дошло до метильных групп на концах цепочек, которые изначально были выстроены по порядку, они начали трястись и скручиваться. Чрезвычайно чувствительная форма когерентной колебательной спектроскопии использовалась для исследования этого беспорядка.
Исследование ученых показало, что привычные концепции переноса тепла неприменимы на уровне отдельных молекул.
К примеру, одно интересное открытие заключается в том, что нагревание молекулы до 800 градусов Цельсия не разрушает ее. «Поскольку молекула остается горячей всего одну миллиардную долю секунды, у нее нет времени испариться, сгореть или вступить в химическую реакцию», - сказал Кэхилл, профессор материаловедения и инженерии Уиллетта.
Еще одно удивительное открытие заключается в том, что тепло движется баллистически, то есть с постоянной скоростью, через молекулу. Каждый раз, когда к цепочкам добавлялись еще два атома углерода, теплу требовалось немного больше времени, около четверти пикосекунды, чтобы достичь конца.
«Тепло обычно распространяется с разными скоростями, поскольку оно рассеивается в окружающей среде», - сказал Кэхилл, который также является исследователем в Лаборатории материаловедения Фредерика Зейтца и в Лаборатории координированных научных исследований в кампусе Иллинойса. «Мы обнаружили, что передний край теплового взрыва баллистически перемещается по углеводородным цепям со скоростью 1 километр в секунду».
Исследователи также определили общую скорость теплового потока в молекуле. Они рассчитали теплопроводность в 50 пиковатт на градус Цельсия.
«Это новый способ измерения температуры внутри молекулы», - сказал Длотт. «Это первый шаг к созданию более точного термометра с очень высоким пространственным и временным разрешением».
Вместе с Длоттом и Кэхиллом соавторами статьи являются научные сотрудники с докторской степенью Чжаохуэй Ван, Алексей Лагучев и Нак-Хюн Сон, а также аспиранты Джеффри А. Картер и Йи Кан Ко. Работа финансировалась Министерством энергетики США, Национальным научным фондом и Управлением научных исследований ВВС.