Дана Длотт (Dana Dlott) и коллеги из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн обнаружили, что достаточно нескольких пикосекунд для распространения тепловой волны по углеводородной цепи.
Измерения могут помочь исследователям в разработке молекулярных электронных приборов, способных рассеивать столь мощные потоки тепла.
При перемещении электрона по молекулярному проводу часть его кинетической энергии (до 50%) переходит в тепловую. Выделяющаяся теплота может повлиять на эффективность молекулярных машин и приборов. Возможность разогревания наноустройств в процессе их работы является насущной проблемой в разработке электронных наноприборов следующего поколения.
Для решения этой проблемы необходима разработка способов измерения температуры на молекулярном уровне, создание своеобразного «термометра для молекул» – задача, которую успешно решили исследователи из Университета Иллинойса. Применимая на макроуровне концепция рассеивания тепла не работает на молекулярном уровне. Для измерения теплового градиента на молекулярном уровне исследователям пришлось отслеживать увеличение степени неупорядоченности молекул, вызываемое термической энергией.
Для изучения переноса тепла по системе, состоящей из самоорганизованного монослоя углеводородных фрагментов, образованных за счет прикрепления молекул HS-(CH2)n-CH3 к золотой подложке с помощью связи Au–S группа Длотт использовала ультрабыстрый аппарат флэш термической проводимости (ultrafast flash thermal conductance apparatus).
Исследователи применяли пикосекундные лазерные импульсы для нагревания золотой подложки до 800°C, а затем измеряли скорость, с которой термическая энергия достигала метильной группы на конце цепи. Для этого они использовали метод колебательной спектроскопии, известный как метод генерации суммарной частоты (sum-frequency generation method). Этот метод способен селективно определить термически инициированную неупорядоченность терминальных групп CH3.
До настоящего времени изучение переноса тепловой энергии на молекулярном уровне ограничивалось отсутствием методик, способных проводить измерения в условиях резкого подъема температуры, малых временных интервалов и небольших расстояний. Длотт отмечает, что разработанный метод позволяет измерять скорости тепловых потоков величиной до 1 нанометра в 1 пикосекунду.
