Группа исследователей из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (США) обнаружила: когда электрический ток проходит через углеродные нанотрубки, объекты, расположенные неподалёку, нагреваются, в то время как сами нанотрубки остаются прохладными.

Объяснение этого совершенно неожиданного явления, быть может, подскажет новые технологии создания компьютерных процессоров, которые смогут работать на более высокой частоте без перегрева.

Рис. 1. Самые обыкновенные нанотрубки (изображение UMD).

«Это явление, наблюдающееся только на наноуровне, полностью противоречит здравому смыслу и нашим знаниям об электрическом нагреве в обычных условиях, — говорит ведущий автор работы Камаль Балоч, выполнивший её, будучи студентом. — Электроны нанотрубки от чего-то отскакивают, но не от её атомов. Каким-то образом атомы соседнего материала — подложки из нитрида кремния — вибрируют и нагреваются».

«Эффект немного странный», — признаёт Джон Камингс, руководивший исследовательским проектом. Он и г-н Балоч назвали явление «удалённым электрическим нагревом» (remote Joule heating).

Исследователи корпели над экспериментами в области электронной микроскопии. Результат оказывался всегда одним: когда они пропускали электрический ток через углеродные нанотрубки, подложка под ними становилась настолько горячей, что металлические наночастицы на её поверхности расплавлялись, но сами нанотрубки и металлические контакты, присоединённые к ним, не меняли температуры.

Обывателю может показаться, что в этом нет ничего особенного, ведь пища внутри микроволновки нагревается, а сама печь сохраняет комнатную температуру. Однако учёные не генерировали СВЧ-поле. Они, повторяем, лишь пропускали постоянный электрический ток через нанотрубки. Последние должны были нагреться. Представьте себе тостер, который поджаривает хлеб, оставаясь холодным.

Обычно электрический ток заставляет блуждающие электроны отскакивать от атомов металлической проволоки. Колебания электронов создают тепло, и любая проводка должна показать такой эффект, будь то нагревательные элементы тостеров, фенов или электроплит. Углеродные нанотрубки, как известно, проводят электричество, то есть выступают в роли наноразмерных металлических проводов, так что учёные ожидали того же эффекта.

Для наблюдения действия тока на нанотрубки исследователи воспользовались методикой тепловой микроскопии, разработанной группой г-на Камингса. Предполагалось увидеть, как тепло проходит по нанотрубке с металлическими контактами. Вместо этого тепло передавалось непосредственно подложке. Но как электроны нанотрубки могли заставить вибрировать атомы подложки, если они разделены приличным нанорасстоянием? Балоч и Камингс полагают, что здесь задействована «третья сторона» — электрические поля.

«Мы считаем, что из-за тока электроны нанотрубки создают электрические поля, и атомы подложки непосредственно реагируют на них, — поясняет г-н Камингс. — Передача энергии происходит именно таким образом, а не потому, что электроны нанотрубки отскакивают от атомов подложки. Хотя и существуют некоторые аналогии с микроволновой печью, физика этих явлений на самом деле очень разная».

Г-н Балоч добавляет, что удалённый электрический нагрев может иметь далекоидущие последствия для вычислительной техники.

«В настоящее время производительность компьютерного процессора ограничивается его частотой, а последняя лимитируется тем, что процессор нагревается, — рассуждает исследователь. — Если найти способ избавляться от тепла более эффективно, он будет работать быстрее. Транзистор, который не рассеивает энергию в виде тепла, как нанотрубки в нашем эксперименте, мог бы всё изменить».

Ну а пока это явление, наблюдавшееся только на наноуровне и только в углеродных материалах, окружает «покров тайны». Если другие материалы могут дать такой же эффект, какими свойствами они должны обладать? И какие ещё полупроводники и диэлектрики могут заменить подложку из нитрида кремния?

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.