Pesquisadores da Faculdade de Engenharia da Universidade de Michigan, nos EUA, e da Universidade de Augsburg, na Alemanha, publicaram um novo estudo na revista Nature Materials. A pesquisa demonstra que a condutividade térmica de uma junção de molécula única pode ser ajustada com precisão através da substituição de um único átomo, enquanto a condutividade elétrica permanece inalterada.

Ajuste fino de fluxos de calor em nanoescala em materiais moleculares

No experimento, os pesquisadores colocaram uma pequena molécula orgânica entre dois eletrodos de ouro e substituíram um de seus átomos de hidrogênio por átomos de halogênio progressivamente mais pesados (flúor, cloro, bromo e iodo). Os resultados mostraram que cada substituição por um átomo mais pesado levou a uma redução adicional na transmissão de calor, e quando o átomo de iodo foi utilizado, o fluxo de calor foi reduzido pela metade.

Pramod Reddy, professor de Engenharia Mecânica e Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Michigan e coautor correspondente do estudo, afirmou: "Isso é uma prova poderosa de que o fluxo de calor pode ser controlado com precisão atômica – uma capacidade que pode transformar a forma como projetamos dispositivos termoelétricos e materiais moleculares para gerenciamento térmico."

A transferência de calor em nanoescala é crucial para o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos e para o design de novos dispositivos de conversão de energia. A equipe de pesquisa desenvolveu uma sonda de varredura calorimétrica de alta sensibilidade, reduzindo o ruído térmico de fundo para menos de 1 picowatt por Kelvin, uma melhoria de quase dez vezes em relação aos métodos anteriores. Esta sonda é capaz de medir simultaneamente a transferência elétrica e térmica, fornecendo uma ferramenta precisa para o estudo de junções de molécula única.

Edgar Meyhofer, professor de Engenharia Mecânica da Universidade de Michigan e coautor correspondente, disse: "A sonda de varredura calorimétrica que desenvolvemos na Instalação de Nanofabricação Lurie alcança resolução de picowatts em baixas temperaturas. Este nível de sensibilidade não só tornou a descoberta atual possível, mas também abriu uma janela experimental completamente nova para a transferência de calor em escalas atômica e molecular."

Durante os experimentos, os pesquisadores fizeram contato entre a ponta da sonda e um substrato de ouro revestido com fenilenodiamina, formando uma junção de molécula única. Ao substituir diferentes átomos de halogênio, eles observaram uma diminuição sistemática na condutividade térmica, enquanto a condutividade elétrica permanecia constante. Yuxuan Luan, pesquisador de pós-doutorado em Engenharia Mecânica na Universidade de Michigan e autor principal, observou: "A clareza dos dados nos deu confiança real de que estávamos vendo o efeito genuíno de um único átomo na transmissão de fônons."

A análise computacional dos colaboradores da Universidade de Augsburg mostrou que átomos mais pesados perturbam o movimento dos fônons térmicos, reduzindo assim o fluxo de calor. Esta descoberta pode ajudar no desenvolvimento de componentes de circuitos de nanoeletrônica e na personalização das propriedades térmicas de materiais moleculares, como estruturas orgânicas covalentes e estruturas orgânicas metálicas, que têm potencial de aplicação em áreas como armazenamento de gás e catálise.

A pesquisa estabelece as bases para a exploração sistemática da transferência de calor em fios de átomo único, cadeias poliméricas e dispositivos quânticos. À medida que a tecnologia de computação quântica avança, o controle térmico em nanoescala se tornará cada vez mais importante.

Detalhes da publicação: Autora: Patricia DeLacey, Universidade de Michigan, Faculdade de Engenharia; Título: Swapping one atom can cut heat flow through a molecule by half; Publicado em: Nature Materials (2026); Informação do periódico: Nature Materials