Нидерландские инженеры создали наименьший тепловой двигатель

До презентации новинки, наименьшим объемом теплового двигателя, рабочее тело которого являлось жидкостью или газом, считалось 10⁷ мкм³. Дальнейшие попытки уменьшить размер проваливались. Зная эту проблему нидерландские специалисты приняли решение применить принципиально другую схему. Из вариант устройства сделан из кристаллического кремния и является твердотельным.

Функционирование сверхминиатюрного теплового двигателя основана на пьезорезистивном эффекте – сопротивление образца изменяется под влиянием приложенного механического напряжения. Авторы разработки объясняют структуру устройства как три элемента, соединенные между собой: массивная пластина размером 12,5×60,0×1,5 мкм³ и двух выступающих балок длиной в 800 нм. Ширина одной балки составляет 3 мкм, а второй - 280 нм; объём узкой - «рабочей» - составляет, таким образом, менее половины кубического микрометра. Обе балки закреплены горизонтально, а свободный конец пластины оказывается в подвешенном состоянии.

Для запуска двигателя необходимо пустить через балку постоянный ток, сила которого немногим превышает 1 мА. Результатом такого старта становится движение пластины вверх и вниз. Это происходит из-за деформирования «рабочей» балки, изменением ее сопротивления и температуры. Если она сжимается (конец пластины перемещается вверх), её сопротивление достигает максимума, а с ним растёт и температура, что обеспечивается резистивным нагревом. В результате балка увеличивается в размерах, её сопротивление и температура уменьшаются, а пластина смещается вниз. Охлаждение снова вызывает изменение размеров, и цикл повторяется; в экспериментах авторы добились колебательного движения с частотой около 1,25 МГц.

«Если рассматривать только объём «рабочей» балки, наш тепловой двигатель будет самым миниатюрным, - говорит один из участников исследования Питер Стеенекен. - Но если резонатор принять за часть двигателя, устройство, наверное, потеряет возможность называться самым маленьким в мире».

По мнению Стеенекена, устройство может найти применение как чувствительный датчик. Это возможно поскольку частота осцилляций зависит от массы пластины. При обращении его термодинамического цикла он также может служить «холодильником».

По материалам Nature Physics