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非平衡軟物質特集: 世界最小的熱引擎

Scimage
・2011/08/21 ・776字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

工業革命是從對熱與動力的關係開始,因為發現了怎麼把熱有系統的轉成機械能,於是熱機開始推動了各種機器,把人從勞力中解放,才讓人類的社會進入了一個新的時代。傳統的熱機基本原理是經由熱機中介質的膨脹收縮,把能量由熱的流動中擷取能轉換成機械能的部分來使用。但是這樣的熱流動跟機械能的轉換其實發生在更多地方,不是只有像引擎那樣的設計才能做到。其中有一類的運動是因為不均勻加熱而讓物體表面產生流體的運動,當這樣的效應以微觀層次來看的時候,只有一個粒子放在流體裡,溫度梯度讓小粒子開始跟表面的流體有相對堆進,就會看到所謂的熱泳動現象-粒子會在溫度梯度中運動 -這個過程同樣是由熱流來產生機械能。

利用這樣的原理,影片中設計出一種單邊鍍金的玻璃小球,大小只有萬分之一公分。因為照射光之後,鍍金的那邊會因為吸收光而被加熱(就像陽光下金屬會很燙一樣),所以會讓周圍的液體開始往鍍金那方向流動,粒子自己則往沒有鍍金的方向跑。利用這種效應,只要把兩顆這樣的粒子接在一起,就變成了一個小旋轉引擎,只要一照光就不停的旋轉。影片中可以看到旁邊沒有固定的粒子正在做布朗運動,而被固定住的小馬達(有一半黑黑的粒子)也因為布朗運動而不停的前後擺。當一照光之後,固定的粒子開始旋轉,因為熱梯度產生的液體流動也把那些晃動的粒子吹開。這實驗證實了這樣的效應存在,只要好好設計也有很大的效果。這研究雖然設計簡單,但卻是貨真價實的熱引擎,或許一些微小機械設計有一天都能基於這樣的熱功原理被做出來。其實在自然界的生物中,各種生物分子也不停的消耗能量並轉換成各種分子運動,或許是細胞骨骼的變動,許是酵素的催化震動。也許過不了多久,熱機的概念跟粒子的非平衡運動就會走到跟生物分子相遇的那天了!

八月紀念特集: 屬於scimage的故事 – 非平衡軟物質 目錄

本文原發表於科學影像Scimage

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超微小的矽壓阻式熱引擎
科景_96
・2011/02/10 ・745字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 540 ・八年級
相關標籤: 熱引擎 (2)

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[Original publish date:Jan 23, 2011]

編輯 HCC 報導

荷蘭物理學家利用矽壓阻材料[piezoresistive silicon]設計了超小的熱引擎,可能應用於鐘錶機構或機械感應器。原始論文:“Piezoresistive heat engine and refrigerator”,Nature Physics (2011) , doi:10.1038/nphys1871

熱引擎一般依賴液體或氣體的膨脹與收縮而運作,當元件體積變的更小,工程師發現若需要獲得合理的功率輸出,要設計能處理高壓與流體速度的結構是相當的困難。由卡諾熱機方程式得知,效率需要極大的溫差,所以元件變小時,效率跟著降低,所以液體或氣體驅動的熱引擎體積很少會小於10的7次方 立方微米。

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荷蘭NXP Semiconductors公司的Peter Steeneken與其同僚使用以結晶矽製作的壓阻塊克服了上述限制。壓阻材料的電阻隨著外加壓力而變化,受壓時,電阻增加,材料膨脹時,電阻降低。

Peter Steeneken研製的微小熱引擎包含一個平坦的結晶矽共振器,體積為1125 立方微米,於一端帶有兩支平行樑,體積很小,僅0.34 立方微米。共振器外觀很像附有一個重底座的音叉。因為兩支平行樑根部固定在基底上,所以當其中的一支樑以毫安培直流電加熱時,整個元件會上下撓曲。

元件操作的關鍵點為樑的溫度、壓縮與電阻之間的相互作用。當元件受壓時的電阻最大,電阻隨之增加溫度。不過升溫讓樑延伸,電阻跟著下降,溫度也往下落。低溫再次讓樑受壓,整個過程以超過1.2 MHz的頻率進行振盪運動。

Steeneken認為機械元件較單純的電子震盪器更為穩定,所以此元件可以替代鐘錶裏的石英震盪器與電子放大器,Steeneken也相信由於震盪頻率隨著質量大幅改變,因此該元件可以當作感應器。

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甚至此熱引擎可以兼作致冷機[refrigerator],此時兩支平行樑不與電流源連接,而接上電壓,所以經由布朗運動施加在元件上的震盪被減弱,因此能冷卻週遭環境。一個微小的致冷機能用來冷卻其他的機械感應器或鏡面,降低熱噪音,從而提高精度。

Steeneken的熱引擎係以電流加熱,Oregon State University工程師Richard Peterson認為若Steeneken能以熱源驅動震盪器,論文將更有見地。

參考來源: