В научно-исследовательском подразделении компании NXP Semiconductor создали необычную разработку. По словам исследователей, им удалось создать самый маленький из всех существующих тепловых двигателей. Несмотря на то, что тепловые двигатели, то есть двигатели, преобразующие тепловую энергию в механическую, являются первыми двигателями, изобретенными человечеством, их уменьшение в размерах представляет собой нетривиальную инженерную проблему.

И тем не менее, исследователи из этой компании все-таки создали двигатель с рабочим объемом всего в 0,34 кубических микрометра. Двигатели меньших размеров вряд ли существуют в мире. Инженеры отмечают, что сложность организации и принцип эффективности теплового двигателя исходят из того, что эта установка не может быть маленькой в принципе, и все-таки она ей стала.

Петер Стеенекен из NXP Semiconductors, говорит, что в новом микро-двигателе вместо топлива, используемого для генерации тепла, используется электричество, которое также может его генерировать. А сам двигатель его уже преобразует в механическую энергию.

Базовая часть микро-двигателя - это твердый кристалл кремния, имеющий ответвления с двух сторон. Когда переменный ток мощностью в 1,2 миллиампера подается на одно ответвление, то из-за естественного физического сопротивления материала, тот начинает разогреваться и происходит так называемая терминальная экспансия. В результате переменной среды электрического тока, сопротивление материала то растет, то снижается.

В итоге получается пьезорезистивный эффект, провоцирующий то нагрев материала, то его охлаждение. Данный эффект заставляет весь кремниевый кристалл пропускать электрические колебания на частоте 1,3 МГц, меняя температуру более миллиона раз в секунду.

"Ключ инновации в том, что мы здесь впервые использовали в полезном русле эффект разогрева кремния от электрического тока. Это позволило сделать нам из него рабочий инструмент", - говорит Стеенекен. По словам специалиста, используя современные литографические методы, кремниевую основу можно сделать любой формы и размера, что в теории позволяет достичь еще меньших размеров.

В компании говорят, что помимо инженерной инновации, здесь впервые научились находить применение разогреву кремния под напряжением. До сих пор все работающие кремниевые микросхемы грелись и это тепло рассматривалось как бесполезный побочный эффект.

В случае с данным опытом исследователи применили подлодку шириной 280-нм, причем выходная мощность двигателя получилась в пределах 1 милливатта, а это, учитывая размеры установки, неплохой КПД. Вместе с тем, создать на базе этой же конструкции большие тепловые двигатели не получится, так как здесь придется увеличивать и напряжение тока, причем напряжение придется увеличить так, что подложка просто сгорит. Теоретически возможно создать такой двигатель, заменив кремний на какой-либо сверхпрочный сплав, обладающий колоссальной температурной устойчивостью и электропроводностью.

Если бы двигатель, подобный созданному, все же удалось создать в большом объеме, например с рабочим объемом в 2 литра, как у современных машин, то его эффективность была бы в 1000 раз выше, чем у автомобильного бензинового двигателя.