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 мкм³ 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.

Препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.