Coletando energia térmica por NanoMachines

Vladik Avetisov e Roman Iliev, o investigador principal e fundador da Molecular Machine Corporation Ltd, levantam a tampa sobre um projeto inovador que diz respeito ao uso do calor ambiental como fonte natural de energia térmica

Os humanos usam a energia eólica desde as invenções da vela e da turbina eólica. No entanto, nem sempre venta. Um moinho de vento em um escritório para moer grãos de café não é uma boa ideia. No entanto, mesmo com total calma, as moléculas no ar voam tão rápido como se houvesse um furacão. Por que não tentar colher sua energia? Na verdade, tudo o que precisamos fazer é fazer algo semelhante a um moinho de vento, mas com alguns nanômetros de tamanho.

A proposta do Demônio

Esta não é uma ideia nova. Em meados do século 19, James Maxwell, um apóstolo da física teórica, mostrou que sempre há flutuações energeticamente ricas em um gás, que ele acreditava poder ser útil, embora as leis da termodinâmica o proibissem. Ele apresentou seu raciocínio provocativo na forma de um famoso experimento mental com uma pequena máquina, mais tarde chamada de “Demônio de Maxwell”. Como convém a um demônio, o Demônio de Maxwell dividiu a comunidade científica em crentes e incrédulos, empurrando-os para disputas irreconciliáveis. Aqui, não podemos apresentar a riqueza de provas e refutações da existência do Demônio. Em vez disso, devemos nos concentrar em dois pontos de inflexão nesta história que determinaram os conceitos de nosso projeto.

Cerca de meio século depois de Maxwell ter proposto seu Demônio, Leo Szilard reduziu o experimento mental de Maxwell à manipulação de um sistema de dois estados. A ideia de que um sistema dinâmico de dois estados pode funcionar como um nano-moinho de vento está no centro do nosso projeto. Embora na história do Demônio, a ideia de Szilard levou à realização de relações profundas entre a termodinâmica e a informação. Refletir sobre essas relações foi tão emocionante que o nanomotor de vento saiu de foco. Mais tarde, porém, em meados do século 20, Richard Feynman, em sua palestra marcante “Há muito espaço no fundo”, prestou atenção especial à termodinâmica dos nano moinhos de vento.

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Nanomáquinas

No entanto, como faz a média de todas as flutuações, a termodinâmica clássica não combina bem com nanomáquinas. Em contraste, ao projetar as nanomáquinas, perturbações aleatórias devem ser explicitamente consideradas. Felizmente, a termodinâmica estocástica fez um grande progresso nos últimos 20 anos. Hoje, a termodinâmica estocástica é o mesmo pano de fundo para nanomáquinas que a termodinâmica clássica é para motores comuns. Além disso, surgiram os métodos poderosos de simulações atômicas completas de sistemas moleculares complexos e as ferramentas impressionantes para a manipulação de uma única molécula. Na verdade, as nanociências e nanotecnologias modernas estão levando às nanomáquinas. Seu design é a linha principal de nosso projeto.

Embora os nanocolhedores de energia térmica ainda estejam no estágio conceitual, podemos levantar a tampa sobre a ideologia do design.

Do ponto de vista da termodinâmica estocástica, uma molécula nanométrica deve ter uma dinâmica específica para funcionar como uma máquina. Uma molécula do tamanho de um nanômetro tem milhares de átomos e milhares de graus de liberdade. No entanto, a ação semelhante a uma máquina implica uma dinâmica de baixa dimensão, que se supõe ser realizada por meio de movimentos atômicos coletivos associados a alguns graus de liberdade mais lentos. Assim, para realizar ações semelhantes às de uma máquina, os graus de liberdade mais lentos devem ser dinamicamente separados de todos os graus de liberdade mais rápidos. Este requisito limita severamente o pool de moléculas adequadas.

Um sistema de dois estados

O tipo de ação pode limitar ainda mais esse pool. Por exemplo, um sistema de dois estados implica uma mudança abrupta de estado quando algum estímulo ultrapassa um valor limite. Tal ação está associada ao comportamento de um sistema dinâmico não linear. Vamos explicar o que queremos dizer com o exemplo de uma haste elástica. Na verdade, a haste permanece reta sob leve compressão longitudinal. No entanto, assim que a compressão excede um nível crítico, o estado endireitado torna-se instável e a haste dobra para cima ou para baixo. Acima da compressão crítica, a haste se comporta como uma máquina de dois estados. Ele pode realizar trabalho mecânico saltando de um estado para outro ao aplicar uma força lateral. No entanto, a haste pode pular sozinha. Se perturbações aleatórias podem ativar as transições entre os dois estados, a haste saltará espontaneamente, executando vibrações espontâneas. Os saltos aleatórios podem ser transformados em saltos regulares por compressão oscilante fraca. Este é um fenômeno bem conhecido de ressonância estocástica.

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O design de moléculas biestáveis ​​de tamanho nano

Vibrações espontâneas e ressonância estocástica parecem atrativas para o uso de energia de banho térmico como “combustível” para nanomáquinas. Para sistemas de tamanho mícron ou mesmo submicrônico, as flutuações térmicas são muito fracas para ativar vibrações espontâneas: perturbações muito mais fortes são necessárias. As flutuações térmicas podem perturbar sistemas de apenas alguns nanômetros de tamanho. Portanto, se uma molécula de tamanho nanométrico for biestável e a barreira de biestabilidade for comparável à energia das flutuações térmicas, as vibrações espontâneas aparecerão naturalmente. É por isso que focamos nosso projeto no design de moléculas biestáveis ​​nanométricas.

Pode-se pensar que há muito pouca chance de encontrar moléculas adequadas, mas as enormes projeções de computador que fizemos nos dão alguma esperança. A triagem intensiva por computador de oligômeros termorresponsivos revelou que as amostras realmente possuíam a biestabilidade mecânica com vibrações espontâneas termicamente ativadas e ressonância estocástica. Nós os anunciamos em uma edição anterior do Open Access Government (julho de 2020, p.162). Os oligômeros biestáveis ​​podem vir a ser uma plataforma promissora para o projeto de nanomáquinas.

O projeto de uma nanomáquina oligomérica, particularmente os coletores de energia térmica baseados em vibrações espontâneas e ressonância estocástica, é a direção conceitual do nosso projeto. A questão é como trazer os conceitos do projeto à realidade. Esta tarefa é um grande desafio tecnológico que requer a integração de competências do mais alto nível. E nosso projeto está aberto à cooperação.

* Observação: este é um perfil comercial

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