В то время как обычные машины, такие как двигатели внутреннего сгорания в большинстве автомобилей, работают в соответствии с правилами физики, изложенными Исааком Ньютоном, на наномасштабах все подчиняется более сложным законам квантовой механики.

Нобелевская премия по химии заслужено досталась трем ученым, разработавшим самые маленькие в мире машины - «нанороботы». Эти нанороботы меньше человеческого волоса, который можно использовать в различных областях. Наиболее многообещающее поле для этих невероятно маленьких машин находится в медицинских областях, где эти роботы могут проникать внутрь клеток человеческого тела. Эти нанороботы сделаны из различных материалов, которые могут перемещаться под действием внешней стимуляции, такой как свет и магнит.

 

Подвижные детали, которые перемещаются в известных машинах подвергаются силам трения, что ограничивает их производительность. Нанотехнологии могут быть использованы для создания двигателя из одной молекулы, которая может вращаться/перемещаться без какого-либо трения. На наноуровне молекулярные роторы следуют квантовому закону, что означает, что они не взаимодействуют с воздухом одинаково, и поэтому трение не влияет на их производительность.

 

Природа уже показала нам, что молекулярные моторы возможны. Некоторые белки могут перемещаться по поверхности, используя вращающийся механизм, который создает движение от химической энергии. Именно эти моторные белки заставляют клетки сокращаться и, следовательно, отвечают за наши мышечные движения.

 

Нанотехнологии имеют дело с ультрамалыми объектами размером, эквивалентными одной миллиардной части метра, что кажется невероятно малым для построения машин. Но размер зависит от того, насколько близко вы находитесь к объекту. Мы не можем видеть вещи в наномасштабе невооруженным глазом, так же как мы не можем видеть внешние планеты Солнечной системы. И все же, если мы увеличим масштаб - с помощью телескопа для планет или мощного электронного микроскопа для нанообъектов - тогда мы изменим систему отсчета, и все будет выглядеть по-другому.

 

Тем не менее, даже после того, как мы познакомимся поближе, мы все равно не сможем построить машины на наноразмерном уровне, используя традиционные инженерные инструменты. В то время как обычные машины, такие как двигатели внутреннего сгорания в большинстве автомобилей, работают в соответствии с правилами физики, изложенными Исааком Ньютоном, на наномасштабах все подчиняется более сложным законам квантовой механики. Поэтому нам нужны особые инструменты, которые учитывают квантовый мир, чтобы манипулировать атомами и молекулами таким образом, чтобы они использовали их в качестве строительных блоков для наномашин.

графеновый двигатель, нано-двигатель, графен, двигатель внутреннего сгорания, квантовая механика, физика, хлор, фтор, рак, раковые клетки, молекула CIF, CIF3
 

Такие автономные молекулярные двигатели играют важную роль во многих и дальновидных целях нанотехнологий, так же как электрические двигатели можно найти во многих устройствах сегодня. Эти наномашины могут выполнять функции, аналогичные биологическим молекулярным двигателям, присутствующим в живых клетках, такие как транспортировка и сборка молекул, или облегчения химических реакции путем прокачки протонов через мембраны.

 

 

 

Хотя большинство наномоторных приложений все еще являются частью футуристических сценариев, уже существует быстрорастущий объем исследований в области нанотехнологий, посвященный молекулярной технике; и результаты этого очень раннего исследования наномашины являются впечатляющими: хорошо сконструированные молекулы или супрамолекулы демонстрируют различные виды движения - подпитываемые различными движущими силами, такими как свет, тепло или химические реакции - приводящие к молекулярным челнокам, молекулярным лифтам и вращению наноразмерных двигателей.

 

В то время как большинство этих наномоторов работают от квантовых или, в большинстве случаев, каталитических химических процессов, отсутствует наноразмерный эквивалент обычных внутренних тепловых двигателей, которые так распространены в нашей повседневной жизни.

Один из примеров таких нанороботов основан на тепловом двигателе, изготовленном из графена.

 

Графен – супер материал

 

Замечательные свойства графена проистекают из гексагональной структуры решетки, которую образуют атомы, которую Джозеф Мини, соавтор книги «Графен: сверхсильный, сверхтонкий и сверхразносторонний материал, который революционизирует мир», описывает как «забор из проволочной сетки». Каждый атом углерода с его четырьмя электронами во внешней оболочке связан с тремя другими атомами углерода. Эта структура позволяет ему располагаться идеально ровно, обеспечивая удивительную прочность, фантастическую проводимость (электрическую и термическую), оставаясь при этом пористой и оптически прозрачной.

Убедительными являются его параметры, предел прочности при растяжении графена составляет 130 ГПа, что в 325 раз больше, чем у конструкционной стали. В то же время один лист графена весит всего 770 микрограммов на квадратный метр. Это означает, что лист, достаточно большой, чтобы покрыть все футбольное поле, весил бы меньше грамма.

графеновый двигатель, нано-двигатель, графен, двигатель внутреннего сгорания, квантовая механика, физика, хлор, фтор, рак, раковые клетки, молекула CIF, CIF3
У графена каждый атом углерода с его четырьмя электронами во внешней оболочке связан с тремя другими атомами углерода.
 

Наноразмерный тепловой графреновый двигатель из Сингапура

 

Исследователи из Национального университета Сингапура (NUS) создали первый в мире наноразмерный тепловой двигатель, изготовленный из фторированного графена нанометровой толщины. Такой крошечный двигатель может быть полезен в наноробототехнике и наномашинах. Он также может быть использован в качестве клапана для микрофлюидов.

 

Новый нано-двигатель сделан из графена и слабо хемосорбированных молекул CIF3. Молекулы CIF3 используются в качестве исполнительных механизмов. В двигателе применяется лазерный луч света в качестве «свечи зажигания» - когда молекулы CIF3 подвергаются воздействию лазера (длина волны 532 нм).

 

Двигатель работает достаточно просто: несколько слоев хемосорбированных пленок CIF3, зажатых между отдельными слоями графена, поддерживаемых кремниевой подложкой, подвергаются воздействию лазерного луча. Это приводит к взрывоподобному увеличению давления из-за быстрого объемного расширения молекул CIF3 и отклоняет графен от субстрата в виде пузыря, направленного вверх. При этом «куполообразный пузырь» создает высокое давление (около 23 МПа).

После выключения лазера графен возвращается в исходное плоское состояние, поскольку высокая реакционная способность молекул CIF3 хемосорбируется обратно на графен.

Расширение (и последующее сжатие при выключении лазера) эквивалентно движению поршня в двигателе внутреннего сгорания.

Исследователи сообщают, что этот крошечный двигатель долговечен и не разрушается даже после 10000 циклов. Расчетное внутреннее давление на цикл расширения двигателя составляет около 106 Па. Блистер образуется очень быстро - менее чем за 0,001 секунды.

 

графеновый двигатель, нано-двигатель, графен, двигатель внутреннего сгорания, квантовая механика, физика, хлор, фтор, рак, раковые клетки, молекула CIF, CIF3
Схемы работы графенового двигателя.
 
 

Ключом к эффективности этого двигателя на основе графена является то, что высокое давление между подложкой и графеном может поддерживаться благодаря его высокому модулю Юнга, газонепроницаемости и высокой энергии адгезии.

 

графеновый двигатель, нано-двигатель, графен, двигатель внутреннего сгорания, квантовая механика, физика, хлор, фтор, рак, раковые клетки, молекула CIF, CIF3
В графене, обработанном жидким ClF3, образуются ионные связи между фтором и углеродом, что приводит к образованию положительного заряда в 1/6 дырки для каждого атома фтора. Такие ионные связи могут быть легко разрушены, так как они имеют очень маленькую энергию ~ 54 кДж / моль. Это примерно в десять раз меньше энергии ковалентной связи CF. Когда квазистабильная молекула ClF3 теряет свою ионную связь, это приводит к переходу ClF3 в газовую фазу и быстро увеличивающееся давление. По данным исследователей, внутреннее давление составляет ~ 23 МПа. Такое давление достаточно для локального отделения графена от подложки. Из-за высокой прочности графена, модуль Юнга которого может достигать 1 ТПа, и низкой газопроницаемости, весь газ остается внутри пузырька. Структурный анализ графена показал, что даже после 10 тысяч циклов никаких структурных нарушений не возникает.
  

Размер блистера легко контролируется путем изменения параметров зажигания - мощностью лазера. И, по сравнению с нашими двигателями внутреннего сгорания в натуральную величину, этот графеновый двигатель не производит побочных продуктов.

 

 

Другим неотъемлемым фактором является то, что для его функционирования не нужны слишком конкретные условия работы, поэтому для различных применений это жизнеспособный двигатель для наномашин.

Выпученное движение этого графенового нано-двигателя может использоваться в качестве насоса или клапана для нанофлюидных применений. Устройство может быть легко интегрировано в различные приложения путем объединения методов MEMS или NEMS для передачи генерируемой силы каждому из компонентов. Следовательно, следующим этапом будет создание и изучение этого простого приложения наноинженера. Авторы считают, что характеристики такого двигателя могут быть значительно улучшены путем оптимизации параметров лазерного импульса, диаметра луча, а также путем выбора наиболее эффективного «рабочего тела».

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!