Un réfrigérateur brownien

Le mouvement brownien est l'instabilité aléatoire de petites particules sous l'effet des collisions entre molécules. Ce mouvement peut être exploité pour produire des moteurs microscopiques qui sont pilotés par fluctuation moléculaire. Des chercheurs de l'université de Hasselt en Belgique et de l'université d'Alabama à Birmingham ont récemment émis une théorie selon laquelle le mouvement brownien pourrait être utilisé pour concevoir des réfrigérateurs à l'échelle moléculaire. Un réfrigérateur brownien pourrait potentiellement permettre de refroidir des nanomachines ou contrôler les flux thermiques dans des expériences de biologie moléculaire.


Les différences de température entre les molécules de deux régions différentes provoquent un flux de chaleur qui pilote les moteurs browniens. Par conséquent, proposent les chercheurs, l'utilisation d'une force externe pour piloter à l'envers un moteur brownien pourrait faire s'écouler la chaleur d'une région plus froide à une plus chaude, un peu comme les pompes à chaleur refroidissent un habitat à l'aide d'un moteur qui expulse la chaleur vers l'extérieur. Mais à la différence des pompes à chaleur qui déplacent la chaleur par compression et expansion de grands volumes de liquide, un réfrigérateur brownien contrôlerait les flux thermiques en percutant les molécules pour les accélérer ou les ralentir.

Les chercheurs proposent un modèle théorique de leur réfrigérateur qui se compose d'une tige traversant une membrane isolante. Une extrémité de la tige est équipée de palettes, comme celles d'un pédalo. L'autre extrémité est équipée de sorte de coins (voir la figure). Sans intervention, la structure se met à tourner si les molécules entourant les cales sont plus chaudes que les molécules entourant les palettes. La chaleur se déplace alors vers le coté le plus froid ce qui permet d'actionner le moteur. Si le moteur pouvait être forcé pour tourner dans l'autre sens, il déplacerait la chaleur également en sens inverse, du côté froid vers le côté chaud, constituant ainsi le plus minuscule des réfrigérateurs. Les auteurs n'abordent pas explicitement la question de l'origine de la force qui ferait tourner le rotor du réfrigérateur brownien, laissant vraisemblablement ce défi à de futurs expérimentateurs.