Thu hoạch năng lượng nhiệt bằng NanoMachines

Thu hoạch năng lượng nhiệt bằng NanoMachines

    Thu hoạch năng lượng nhiệt bằng NanoMachines

    thermal energy, nano
    Vladik Avetisov và Roman Iliev, Điều tra viên chính và Người sáng lập Molecular Machine Corporation Ltd, nâng nắp cho một dự án sáng tạo liên quan đến việc sử dụng nhiệt môi trường như một nguồn năng lượng nhiệt tự nhiên


    Con người đã sử dụng năng lượng gió kể từ khi phát minh ra cánh buồm và tuabin gió. Tuy nhiên, không phải lúc nào trời cũng có gió. Cối xay gió trong văn phòng để xay hạt cà phê không phải là một ý kiến ​​hay. Tuy nhiên, ngay cả khi hoàn toàn bình tĩnh, các phân tử trong không khí vẫn bay nhanh như thể có một trận cuồng phong. Tại sao không thử thu hoạch năng lượng của họ? Trên thực tế, tất cả những gì chúng ta cần làm là chế tạo một thứ tương tự như cối xay gió, nhưng có kích thước vài nanomet.

    Đề xuất của Ác ma
    Đây không phải là một ý tưởng mới. Vào giữa thế kỷ 19, James Maxwell, một tông đồ của vật lý lý thuyết, đã chỉ ra rằng luôn có những dao động giàu năng lượng trong một chất khí, mà ông tin rằng nó có thể hữu ích, mặc dù các định luật nhiệt động lực học cấm điều đó. Anh ta đã trình bày lý luận đầy khiêu khích của mình dưới dạng một thí nghiệm suy nghĩ nổi tiếng với một cỗ máy nhỏ bé, sau này được gọi là “Maxwell’s Demon”. Là một con quỷ, Maxwell’s Demon đã phá vỡ cộng đồng khoa học thành những người tin và không tin, đẩy họ vào những tranh chấp không thể hòa giải. Ở đây, chúng tôi không thể trình bày vô số bằng chứng và bác bỏ về sự tồn tại của Ác ma. Thay vào đó, chúng tôi sẽ tập trung vào hai bước ngoặt trong câu chuyện này đã xác định các khái niệm của dự án của chúng tôi.

    Khoảng nửa thế kỷ sau khi Maxwell đề xuất Ác ma của mình, Leo Szilard đã giảm thử nghiệm suy nghĩ của Maxwell thành thao túng một hệ thống hai trạng thái. Ý tưởng rằng một hệ thống động lực hai trạng thái có thể hoạt động như một cối xay gió nano là trọng tâm của dự án của chúng tôi. Mặc dù trong Câu chuyện về quỷ, ý tưởng của Szilard đã dẫn đến việc nhận ra mối quan hệ sâu sắc giữa nhiệt động lực học và thông tin. Việc suy ngẫm về những mối quan hệ này thật hấp dẫn đến nỗi chiếc cối xay gió nano mất tiêu điểm. Nhưng sau đó, vào giữa thế kỷ 20, Richard Feynman, trong bài giảng mang tính bước ngoặt của mình “Có rất nhiều phòng ở phía dưới”, đã đặc biệt chú ý đến nhiệt động lực học cối xay gió nano.

    Cơ khí nano
    Tuy nhiên, vì nó tính trung bình cho tất cả các dao động, nhiệt động lực học cổ điển không phù hợp tốt với các máy nano. Ngược lại, khi thiết kế máy móc nano, các nhiễu ngẫu nhiên cần được xem xét rõ ràng. May mắn thay, nhiệt động lực học ngẫu nhiên đã đạt được những tiến bộ đột phá trong 20 năm qua. Ngày nay, nhiệt động lực học ngẫu nhiên là nền tảng cho các máy nano như nhiệt động lực học cổ điển dành cho các động cơ thông thường. Ngoài ra, các phương pháp mô phỏng đầy đủ nguyên tử của các hệ thống phân tử phức tạp và các công cụ ấn tượng để điều khiển đơn phân tử đã xuất hiện. Trên thực tế, các công nghệ nano và công nghệ nano hiện đại đang dẫn đến các công nghệ nano. Thiết kế của họ là chủ đạo của dự án của chúng tôi.

    Mặc dù các máy sạc nano năng lượng nhiệt vẫn đang trong giai đoạn hình thành ý tưởng, nhưng chúng ta có thể nâng nắp lên trên ý tưởng thiết kế.

    Theo quan điểm của nhiệt động lực học ngẫu nhiên, một phân tử có kích thước nanomet phải có một động lực cụ thể để hoạt động giống như một cỗ máy. Một phân tử kích thước nanomet có hàng nghìn nguyên tử và hàng nghìn bậc tự do. Tuy nhiên, hành động giống như máy móc ngụ ý động lực học chiều thấp, được cho là được thực hiện thông qua các chuyển động nguyên tử tập thể liên quan đến một vài bậc tự do chậm nhất. Do đó, để thực hiện hành động giống như máy móc, các bậc tự do chậm nhất phải được tách động khỏi tất cả các bậc tự do nhanh hơn. Yêu cầu này hạn chế nghiêm trọng nhóm các phân tử thích hợp.

    Một hệ thống hai trạng thái
    Loại hành động có thể giới hạn thêm nhóm này. Ví dụ, một hệ thống hai trạng thái ngụ ý sự thay đổi trạng thái đột ngột khi một số kích thích vượt qua một giá trị ngưỡng. Hành động như vậy gắn liền với hoạt động của một hệ động lực phi tuyến. Hãy để chúng tôi giải thích ý nghĩa của chúng tôi qua ví dụ về một thanh đàn hồi. Thật vậy, thanh vẫn thẳng dưới tác dụng nén dọc nhẹ. Tuy nhiên, ngay sau khi lực nén vượt quá mức tới hạn, trạng thái duỗi thẳng trở nên không ổn định và thanh uốn cong lên hoặc xuống. Trên mức nén tới hạn, thanh hoạt động giống như một cỗ máy hai trạng thái. Nó có thể thực hiện công cơ học thông qua việc nhảy từ trạng thái này sang trạng thái khác khi tác dụng một lực bên. Tuy nhiên, thanh có thể tự nhảy. Nếu sự xáo trộn ngẫu nhiên có thể kích hoạt quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái, thanh sẽ nhảy một cách tự phát, thực hiện các dao động tự phát. Bước nhảy ngẫu nhiên có thể được chuyển thành bước nhảy đều đặn bằng cách nén dao động yếu. Đây là một hiện tượng cộng hưởng ngẫu nhiên nổi tiếng.

    Thiết kế của các phân tử bistable có kích thước nano
    Các rung động tự phát và cộng hưởng ngẫu nhiên có vẻ hấp dẫn đối với việc sử dụng năng lượng bồn tắm nhiệt làm “nhiên liệu” cho các máy nano. Đối với các hệ thống có kích thước micromet hoặc thậm chí là submicron, các dao động nhiệt quá yếu để kích hoạt các rung động tự phát: cần có các nhiễu động mạnh hơn nhiều. Sự dao động nhiệt có thể làm nhiễu loạn các hệ thống có kích thước chỉ vài nanomet. Do đó, nếu một phân tử kích cỡ nano có tính chất bistable và hàng rào tính chất bistable có thể so sánh với năng lượng dao động nhiệt, các dao động tự phát sẽ xuất hiện một cách tự nhiên. Đó là lý do tại sao chúng tôi đã tập trung dự án của mình vào việc thiết kế các phân tử bistable có kích thước nano.

    Người ta có thể nghĩ rằng có quá ít cơ hội tìm thấy các phân tử phù hợp, nhưng những cuộc sàng lọc máy tính khổng lồ mà chúng tôi đã thực hiện cho một số hy vọng. Việc sàng lọc chuyên sâu bằng máy tính đối với các đồng phân phản ứng nhiệt cho thấy các mẫu thực sự sở hữu tính ổn định giống như máy tính với các dao động tự phát được kích hoạt bằng nhiệt và cộng hưởng ngẫu nhiên. Chúng tôi đã công bố chúng trong một ấn bản trước của Chính phủ truy cập mở (tháng 7 năm 2020, tr.162). Các oligomer đáng tin cậy có thể trở thành một nền tảng đầy hứa hẹn cho việc thiết kế các máy móc nano.

    Thiết kế của một máy nano oligomeric, đặc biệt là máy thu năng lượng nhiệt dựa trên các dao động tự phát và cộng hưởng ngẫu nhiên, là định hướng khái niệm của dự án của chúng tôi. Câu hỏi đặt ra là làm thế nào để đưa các khái niệm của dự án trở thành hiện thực. Nhiệm vụ này là một thách thức lớn về công nghệ đòi hỏi sự tích hợp của các năng lực ở cấp độ cao nhất. Và dự án của chúng tôi được mở để hợp tác.

    * Xin lưu ý: Đây là một hồ sơ thương mại

    Zalo
    Hotline