Un groupe de chercheurs du ICTP a découvert la possibilité de construire un nano-réfrigérateur qui génère un transfert net de chaleur du froid vers le chaud, au détriment de la puissance exercée par des forces non réciproques.
La nécessité actuelle de passer de sources non renouvelables à des énergies vertes a suscité un intérêt considérable pour la conversion efficace de l’énergie. Les méthodes qui utilisent un transport thermique optimal sont donc devenues un point central des travaux théoriques et expérimentaux dans les domaines de la physique et de la nanotechnologie.
Un nouvel article des chercheurs du ICTP intitulé « Nonreciprocal forces enable cold-to-hot heat transfer between nanoparticles » a été récemment publié dans Scientific Reports, une revue à accès libre du portefeuille Nature.
Transfert de chaleur entre nanoparticules
Des chercheurs de l’ICTP des sections des sciences quantitatives de la vie (QLS) et de la physique de la matière condensée et statistique (CMSP), en collaboration avec un associé de l’ICTP, ont utilisé une combinaison de simulations de dynamique moléculaire et de connaissances théoriques en thermodynamique stochastique pour décrire le transfert de chaleur entre deux nanoparticules maintenues à des températures différentes, qui interagissent par des forces non réciproques, c’est-à-dire des forces qui violent la 3e loi de Newton « action = réaction ».
« Les forces non réciproques sont un nouveau domaine passionnant de la physique statistique, explique Edgar Roldan, chercheur au QLS. Les chercheurs ne font que découvrir la partie émergée de l’iceberg dans ce domaine, qui a révélé des phénomènes intrigants et contre-intuitifs en présence de ces forces. Les lois fondamentales de la physique sont toutes réciproques, ajoute Sarah Loos, une ancienne postdoc du QLS qui est aujourd’hui titulaire d’une bourse Marie Curie à l’université de Cambridge. Cependant, de telles interactions non réciproques émergent naturellement en tant qu’interactions effectives dans divers systèmes complexes, tels que les particules dans les écoulements, les plasmas chauds et les systèmes chimiques. En outre, les interactions non réciproques peuvent être conçues, par exemple, en utilisant un contrôle en boucle fermée. La configuration proposée (deux nanoparticules immergées dans un fluide et couplées de manière non réciproque) est en principe réalisable dans des expériences de pointe avec rétroaction optique.»
Construction d’un nano-réfrigérateur
Les chercheurs ont découvert qu’il était possible de construire un nano-réfrigérateur qui génère un transfert net de chaleur du froid vers le chaud au détriment de la puissance exercée par ces forces non réciproques. Leurs résultats montrent comment les forces non réciproques peuvent être utilisées pour quantifier et contrôler la direction et les fluctuations du flux de chaleur dans les nanomachines naturelles et artificielles.
« Nous nous sommes posé la question suivante : est-il possible de concevoir un dispositif simple à l’échelle nanométrique (composé de seulement deux nanoparticules) capable de récupérer la chaleur d’un bain thermique froid et de la transférer à un bain thermique à une température plus élevée ? Et si oui, quels sont les principes de conception d’une telle nano-machine », explique M. Roldan.
La plupart des machines thermiques, telles que les moteurs thermiques, extraient de l’énergie sous forme de chaleur d’un bain chaud (par exemple, en brûlant du carburant). Une partie de cette énergie est transformée en travail utile (exercé sur les cylindres du moteur) tandis que le reste est dissipé sous forme de chaleur dans l’environnement extérieur plus froid (l’air).
Le phénomène inverse se produit dans les réfrigérateurs, qui utilisent le travail de la source d’énergie électrique pour maintenir un échantillon au froid. Ils extraient la chaleur d’un bain froid (l’intérieur du réfrigérateur) qui est dissipée sous forme de chaleur dans l’environnement externe plus chaud (la cuisine).
« Nous avons conçu un réfrigérateur minuscule, de taille nanométrique, qui fonctionne selon des principes très simples, ajoute M. Roldan. Il suffit d’interactions non réciproques entre deux nanoparticules pour construire un tel réfrigérateur. Nous l’avons proposé théoriquement, nous avons fait quelques prédictions et nous les avons vérifiées en utilisant des simulations de dynamique moléculaire à haute résolution de nanoparticules d’argent immergées dans l’argon. Nous avons ensuite déterminé les principes de conception des dispositifs de réfrigération. Il suffit d’exercer des forces linéaires (de type ressort) non réciproques entre les particules ».
Selon Ali Rajabpour, associé au QLS, « les principaux résultats de l’étude ont été la bonne adéquation entre les simulations de dynamique moléculaire et les résultats thermodynamiques statistiques pour la conception d’un nano-réfrigérateur. L’étude a également permis d’obtenir le ratio de constante de ressort nécessaire pour passer d’un transfert de chaleur direct à un transfert de chaleur inverse. »
Collaboration entre le CSMP et QLS
Le projet a été mené dans le cadre d’une collaboration permanente entre le CSMP et le QLS à l’ICTP.
Loos est l’auteur principal du travail et a développé la plupart des aspects théoriques employés en utilisant des outils de la thermodynamique stochastique. Les simulations de dynamique moléculaire des nanoparticules d’argent dans l’argon ont été réalisées par Saeed Arabha (aujourd’hui étudiant en doctorat à l’université York de Toronto) lorsqu’il était étudiant en maîtrise et qu’il a visité les sections QLS et CMSP à plusieurs reprises.
Rajabpour, qui était le superviseur d’Arabha pour ce projet, a été associé à la fois au CMSP et au QLS. Ali Hassanali, chercheur au CMSP, a supervisé les simulations de dynamique moléculaire, et Roldan a proposé le projet et supervisé les calculs théoriques.
Cette étude s’inscrit dans le cadre d’une collaboration de longue date entre Hassanali au CMSP et Roldan au QLS, qui a conduit au développement de plusieurs projets réussis à l’interface entre la biophysique de la matière molle et la thermodynamique stochastique.
Forces non réciproques dans les machines
Et pour l’avenir ? « Nous continuons à développer des aspects théoriques pour comprendre le rôle des forces non réciproques dans les machines thermodynamiques, explique M. Roldan. Ceci est de la plus haute importance aujourd’hui dans le contexte de la crise énergétique, qui a déclenché une poussée active de la recherche actuelle vers des dispositifs de conversion de l’énergie propres et efficaces. L’objectif de la poursuite des travaux est d’évoluer vers des fluides et des nanoparticules plus complexes, ainsi que vers des méthodes plus accessibles d’application de forces non réciproques ».
« Entre-temps, les chercheurs commencent à réaliser le rôle important que les interactions non réciproques jouent également dans divers processus biologiques à des échelles très variées, depuis les processus subcellulaires jusqu’au mouvement collectif de nombreux organismes, ajoute M. Loos. Dans ce contexte, il sera très intéressant de comprendre les implications des effets thermodynamiques stochastiques causés par les interactions non réciproques, que nous avons trouvées dans notre étude».
Cet article est tiré du site web de l’ICTP.
