“Các thiết bị kết hợp điện tử với cơ học rất phổ biến trong thế giới hiện đại. Cảm biến trong smartphone xác định gia tốc, hướng… là những ví dụ điển hình. Khi các thiết bị điện tử trở nên nhỏ hơn, có một nỗ lực đang được tiến hành để thay thế các cấu trúc hiển vi như thế bằng cấu trúc kích thước nano – NEMS. Nghiên cứu của chúng tôi nằm trong phân mục này; chúng tôi đề xuất, mô hình hóa và nghiên cứu các thiết bị nano mới. Động cơ nhiệt MEMS chúng tôi đề xuất đặc biệt ở chỗ nó chuyển đổi dòng nhiệt thành chuyển động cơ học mà không đòi hỏi hay phát ra dòng điện”, đồng tác giả A. Vikström từ Đại học công nghệ Chalmers của Thụy Điển cho biết.

Mặc dù đã có nhiều đề xuất khác mà ở đó hiện tượng đơn electron gây ra giao động cơ học trong các thiết bị NEMS nhưng các cơ chế này thường cần có một dòng điện. Nếu dòng điện bị ngắt, cơ chế đó không còn hoạt động được nữa.

Cơ chế mới được đề xuất khác biệt ở chỗ nó cố tình ngăn cản bất kỳ dòng điện nào. Hệ thống bao gồm một ống nano cacbon treo lơ lửng giữa 2 đầu chì với cặp chì đóng vai trò là một bể chứa electron. Điện cực hình chữ V ở trên ống nano đóng vao trò là bể thứ 2, chứa các electron có spin ngược với electron trong bể đầu tiên. Các electron có thể chui hầm tự do từ bể của chúng qua ống nano và trở lại. Nhưng vì các electron từ các bể chứa khác nhau có spin ngược nhau nên chúng không đi đến bể bên kia và do vậy không có truyền điện tích.

Mọi thứ bắt đầu trở nên thú vị khi các bể chứa electron có nhiệt độ khác nhau. Khi electron lạnh từ một bể và electron nóng từ bể kia chui hầm qua ống nano, chúng tương tác với nhau và nhiệt được truyền từ electron nóng sang electron lạnh. Khi các electron lạnh trở lại bể lạnh, chúng mang theo năng lượng bổ sung trong khi các electron nóng trở về với năng lượng thấp hơn.

Nếu bể chứa chữ V nóng hơn bể điện cực thì dòng nhiệt thu được sẽ làm trệch nhẹ ống nano lơ lửng hướng về bể này. Bằng cách mang ống nano và bể chữ V lại gần nhau hơn, độ lệch này làm tăng tỉ lệ chui hầm giữa chúng. Sự chui hầm tăng đó sản sinh một cơ chế phản hồi nhưng với một phản hồi bị làm chậm, khiến ống nano giao động. Cuối cùng biên độ giao động sẽ ổn định vì hiệu suất bơm giảm theo biên độ. Bằng cách điều chỉnh nhiệt độ của các bể, các nhà nghiên cứu cho thấy rằng hướng và độ lớn của cơ chế phản hồi có thể điều khiển được và giao động có thể được bơm hoặc hãm.

Vì hệ thống sử dụng dòng nhiệt để tạo chuyển động cơ học nên nó hoàn toàn đóng vai trò là một động cơ nhiệt kích thước nano. Hiệu suất của động cơ tăng khi sự chênh lệnh nhiệt độ tăng và các nhà nghiên cứu ước tính hiệu suất tối đa chỉ vài phần trăm, bị hạn chế bởi các yếu tố hình học hơn là chênh lệch nhiệt độ. Các nhà nghiên cứu dự đoán hệ thống sẽ có nhiều công dụng.

“Nếu bạn xem xét một khái niệm tổng quan về một động cơ nhiệt và liên tưởng nó trong bối cảnh một mạch điện tử, chúng ta có thể dễ dàng mường tượng ra nhiều lợi ích. Nhiệt luôn có sẽ trong các mạch điện tử dưới dạng sản phẩm phụ. Nhiệt này thường bị lãng phí nhưng nếu bạn có thể khai thác nó để cấp điện cho các thiết bị NEMS tích hợp chẳng hạn, bạn có thể có được một hệ thống tiết kiệm điện năng hơn”, Vikström cho biết.

Các nhà nghiên cứu giải thích rằng thiết kế được đề xuất có thể được hiện thực hóa bằng thực nghiệm bằng cách sử dụng các kỹ thuật hiện có. Nhóm gợi ý rằng giao động đó có thể dò được bằng cách áp một điện trường vuông góc với chuyển động, gây ra một điện tích trên ống nano để chịu một lực làm độ trệch luân phiên. Dòng luân phiên mà nó tạo ra có thể đo được, cung cấp bằng chứng về giao động của ống nano.