Onderzoekers van de Eindhovense chipfabrikant NXP Semiconductors hebben de kleinste warmtemotor ter wereld gebouwd. Hij kan onder andere als goedkope vervanging dienen voor kwartskristallen in elektronica. Maar voordat dat zover is, moeten de onderzoekers eerst een aantal obstakels overwinnen.

De motor is een rechthoekig stuk siliciumkristal van zo’n 1100 kubieke micrometer (miljoenste meter) dat aan twee kleine balkjes hangt waardoorheen een stroom loopt. De stroom zorgt ervoor dat een van de balkjes (van 0,3 kubieke micrometer) als motor gaat werken die 1,3 miljoen keer per seconde heen en weer beweegt.

Goedkope productie
Wat de motor uniek maakt is de manier waarop trilling ontstaat. Het siliciumkristal warmt door de stroom op en zet uit. Maar door de uitzetting neemt de weerstand af (dit heet het piezoresistief effect), waardoor de opwarming afneemt. Hierdoor koelt het kristal weer af en zal daardoor krimpen. Dat zorgt er vervolgens voor dat de weerstand van het kristal weer toeneemt en dat maakt het kristal weer warmer door de stroom die erdoorheen loopt. Dit blijft zich herhalen, zolang er een stroom loopt.

‘Dit proces is nooit eerder waargenomen’, zegt hoofdonderzoeker Peter Steeneken aan de telefoon. Dat je een stuk silicium kunt laten trillen door er simpelweg een stroompje op te zetten, heeft meteen een groot voordeel. Micromotoren gebruiken een batterij als energiebron. Maar waar andere motoren altijd een transistor nodig hebben om de stroom uit de batterij om te zetten in bewegen, kan Steenekens motor gewoon direct de stroom uit de batterij in beweging omzetten. ‘Dat scheelt aanzienlijk in productietijd.’

Steenekens warmtemotor in actie

Motor als koeler
Toch is de massale productie van de kleinste warmtemotor nog niet begonnen. Het belangrijkste obstakel is het energieverbruik. De motor verbruikt relatief veel vermogen om de trilling op te wekken. Er is dus een grote batterij nodig, wat het voordeel van de kleine afmeting in veel gevallen teniet doet.

Mochten de onderzoekers dit probleem oplossen, dan staat ons een aantal mooie toepassingen te wachten. Steeneken noemt als voorbeeld de ‘elektronische neus’. Het idee hierbij is dat als een massa op het siliciumkristal komt te liggen, dat de frequentie van de trilling verandert. Het silicium is zo gevoelig dat er al een verandering kan worden waargenomen als er zich een klein aantal moleculen aan het kristal binden. Met behulp van een matrix van motoren zou je dus kunnen detecteren wat voor moleculen er in de lucht of in een vloeistof zitten.

De onderzoekers hebben de motor ook nog als koeler laten dienen. Als je, in plaats van een constante stroom, een constant voltage op het kristal zet, dan dempt dat de thermische trilling (de zogenaamde Brownse beweging). Het kristal wordt dus koeler. Het koelvermogen van de motor is te klein om grote massa’s te koelen, maar voor bepaalde toepassingen koelt het op precies de juiste manier, bijvoorbeeld bij de spiegeltjes in optische systemen zoals lasers, die zo min mogelijk moeten trillen.

Bacteriemotor
Of de motor echt de kleinste wármtemotor ter wereld is, is overigens nog maar de vraag. Steeneken geeft meteen toe dat het niet de kleinste motor is. Dat record is nog steeds in handen van bacteriën en biomoleculen, die chemische energie omzetten in mechanische energie waarmee ze zich voortbewegen.

Er bestaat twijfel bij collega’s, omdat het volume van het kristal geen record is. Maar als je de grootte meet zoals gebruikelijk is bij automotoren, dan telt alleen het volume van het balkje en is Steenekens motor inderdaad de kleinste warmtemotor ter wereld.

Floris Olsthoorn