Создан сверхминиатюрный тепловой двигатель

Инженеры нидерландской компании NXP Semiconductors создали сверхминиатюрный вариант теплового двигателя.

Объём традиционного теплового двигателя, рабочее тело которого представляет собой жидкость или газ, можно довести примерно до 107 мкм3, но дальнейшее уменьшение размеров даётся очень тяжело. Голландские специалисты прекрасно знали об этом и сразу выбрали принципиально иную схему: в их версии двигатель становится твердотельным и выполняется из кристаллического кремния.

Работа такого устройства основана на пьезорезистивном эффекте — изменении сопротивления образца под влиянием приложенного механического напряжения. Всю структуру, поведение которой исследовалось в опытах, можно представить в виде трёх соединённых друг с другом элементов: массивной пластины размером 12,5×60,0×1,5 мкм^3 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.

Рис. 1. Схема работы двигателя. Для простоты на рисунке показаны внешние теплоотвод (синий) и источник тепла (красный), которых в эксперименте нет. (Иллюстрация из журнала Nature Physics).

Для того чтобы двигатель стартовал, необходимо пустить через балку постоянный ток силой чуть более 1 мА. После этого свободный конец пластины начинает двигаться вверх и вниз, что вызвано деформированием «рабочей» балки и изменением её 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 (Peter Steeneken). — Но если резонатор принять за часть двигателя, устройство, наверное, потеряет возможность называться самым маленьким в мире».

По мнению г-на Стеенекена, двигатель можно использовать в качестве чувствительного датчика, поскольку регистрируемая частота осцилляций зависит от массы пластины. При обращении его термодинамического цикла он также может служить «холодильником».

Полная версия отчёта опубликована в статье

P. G. Steeneken, K. Le Phan, M. J. Goossens, G. E. J. Koops, G. J. A. M. Brom, C. van der Avoort & J. T. M. van Beek Piezoresistive heat engine and refrigerator. – Nature Physics. – 2011. – doi:10.1038/nphys1871. Published online 16 January 2011.

Источник