Наномотор из углеродных нанотрубок

Устройство, генерирующее линейное или вращательное движение с использованием углеродных нанотрубок в качестве основного компонента, называется нанотрубным наномотором . Природа уже располагает одними из самых эффективных и мощных видов наномоторов. Некоторые из этих природных биологических наномоторов были модернизированы для достижения желаемых целей. Однако такие биологические наномоторы предназначены для работы в конкретных условиях окружающей среды ( рН , жидкая среда, источники энергии и т. д.). С другой стороны, наномоторы из нанотрубок, изготовленные в лаборатории, значительно более надежны и могут работать в различных средах, включая различную частоту, температуру, среду и химическую среду. Огромные различия в доминирующих силах и критериях между макро- и микро / наномасштабами открывают новые возможности для создания индивидуальных наномоторов. Различные полезные свойства углеродных нанотрубок делают их наиболее привлекательным материалом для создания таких наномоторов.

История

Всего через пятнадцать лет после создания первого в мире двигателя микрометрового размера Алекс Зеттл возглавил свою группу в Калифорнийском университете в Беркли в 2003 году, чтобы сконструировать первый наномотор на основе нанотрубок. С тех пор было создано несколько концепций и моделей, в том числе наноактуатор, приводимый в движение тепловой градиент, а также концептуальная электронная ветряная мельница , оба из которых были обнаружены в 2008 году.

Эффекты размера

Электростатические силы

Закон Кулона гласит, что электростатическая сила между двумя объектами обратно пропорциональна квадрату расстояния до них. Следовательно, когда расстояние сокращается до нескольких микрометров, может возникнуть большая сила из, казалось бы, небольших зарядов на двух телах. Однако электростатический заряд масштабируется квадратично, поэтому электростатическая сила также масштабируется квадратично, как показывают следующие уравнения:

$C={{\varepsilon A} \over d}\propto L$

$E\propto L^{0}$

$V=E*L=E*L\propto L$

$Q=CV\propto L^{2}$

$F=A*E^{2}\propto L^{2}$

Альтернативно

$F={{Q_{1}*Q_{2}} \over d^{2}}\propto {{L^{2}*L^{2}} \over L^{2}}\propto L^{2}$

Здесь A — площадь, C — емкость, F — электростатическая сила, E — электростатическое поле, L — длина, V — напряжение и Q — заряд. Несмотря на масштабирующий характер электростатической силы, она является одним из основных механизмов восприятия и срабатывания в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и основой рабочего механизма первого наномотора NEMS . Квадратичное масштабирование смягчается за счет увеличения количества блоков, генерирующих электростатическую силу, как это наблюдается в гребенчатых приводах во многих устройствах MEMS.

Трение

Как и электростатическая сила, сила трения квадратично масштабируется с размером F ~ L. ² .

Трение — это постоянно возникающая проблема, независимо от масштаба устройства. Это становится еще более заметным, когда устройство уменьшено. В наномасштабе это может нанести ущерб, если не принять во внимание, поскольку части устройства наноэлектромеханических систем (NEMS) иногда имеют толщину всего в несколько атомов. Кроме того, такие устройства NEMS обычно имеют очень большое соотношение площади поверхности к объему. Поверхности в наномасштабе напоминают горный хребет, где каждый пик соответствует атому или молекуле. Трение на наноуровне пропорционально количеству атомов, взаимодействующих между двумя поверхностями. Следовательно, трение между идеально гладкими поверхностями на макроуровне фактически похоже на трение друг о друга больших шероховатых объектов.

Однако в случае наномоторов из нанотрубок межоболочечное трение в многостенных нанотрубках (МУНТ) удивительно мало. Исследования молекулярной динамики показывают, что, за исключением небольших пиков, сила трения остается практически незначительной для всех скоростей скольжения до тех пор, пока не будет достигнута особая скорость скольжения. Моделирование, связывающее скорость скольжения, вынужденное вращение, силу трения между оболочками с приложенной силой, дает объяснение низкому трению между стенками. Вопреки ожиданиям макромасштаба, скорость, с которой внутренняя трубка движется внутри внешней трубки, не находится в линейной зависимости от приложенной силы. Вместо этого скорость остается постоянной (как на плато), несмотря на то, что увеличивающаяся приложенная сила время от времени перескакивает на следующее плато. В нехиральных внутренних трубках реального вращения не наблюдается. В случае киральных трубок наблюдается истинное вращение, и угловая скорость также выходит на плато вместе со скачками линейной скорости. Эти плато и скачки можно объяснить как естественный результат пиков трения при росте скорости: стабильная (растущая) сторона пика ведет к плато, а нисходящая (нестабильная) сторона приводит к скачку. Эти пики возникают из-за параметрического возбуждения колебательных мод в стенках трубок вследствие скольжения внутренней трубки. За исключением небольших пиков, соответствующих плато скорости, сила трения остается практически незначительной для всех скоростей скольжения до достижения особой скорости скольжения. Эти плато скорости соответствуют пикам силы трения. Внезапное увеличение скорости скольжения обусловлено состоянием резонанса между частотой, зависящей от периода гофрирования между трубками, и конкретными фононными частотами внешней трубки, которые обладают групповой скоростью, примерно равной скорости скольжения.

Первый наномотор NEMS

Первый наномотор можно рассматривать как уменьшенную версию аналогичного двигателя микроэлектромеханических систем (МЭМС). Наноактуатор состоит из ротора из золотых пластин, вращающегося вокруг оси многостенной нанотрубки (MWNT). Концы МУНТ опираются на слой SiO ₂ , который образует два электрода в точках контакта. Три фиксированных электрода статора (два видимых статора «в плоскости» и один статор «затвора», скрытый под поверхностью) окружают узел ротора. Четыре независимых сигнала напряжения (один на ротор и по одному на каждый статор) подаются для управления положением, скоростью и направлением вращения. Зарегистрированные эмпирические угловые скорости обеспечивают нижнюю границу 17 Гц (хотя они способны работать на гораздо более высоких частотах) во время полных оборотов.

Изготовление

МУНТ синтезированы методом дугового разряда , суспендированы в 1,2-дихлорбензоле и нанесены на вырожденно-легированные кремниевые подложки с слоем SiO ₂ толщиной 1 мкм . МУНТ можно выровнять по заранее нанесенным меткам на подложке с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) или сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Ротор, электроды и «плоские» статоры нанесены с помощью электронно-лучевой литографии с использованием фоторезиста, замаскированного соответствующим образом. Золото с адгезионным слоем хрома термически испаряется, снимается в ацетоне, а затем отжигается при температуре 400 °C, чтобы обеспечить лучший электрический и механический контакт с МУНТ. Размер стороны ротора составляет 250–500 нм. Затем используют ВЧ-травление для удаления достаточной толщины (500 нм SiO ₂ ) подложки, чтобы освободить место для ротора при его вращении. Подложка Si служит статором затвора. В этот момент МСНТ демонстрирует очень высокую жесткость пружины при кручении (10 ⁻¹⁵ до 10 ⁻¹³ Н м с резонансными частотами в десятки мегагерц), что предотвращает большие угловые смещения. Чтобы преодолеть эту проблему, одну или несколько внешних оболочек MWNT разрушают или удаляют в области между анкерами и пластиной ротора. Один из простых способов добиться этого — последовательно применять очень большие напряжения статора (около 80 В постоянного тока), которые вызывают механическую усталость и, в конечном итоге, сдвигают внешние оболочки МСНТ. Альтернативный метод включает в себя сокращение самых внешних трубок MWNT до более мелких и более широких концентрических нанотрубок под пластиной ротора.

Нанотрубки меньшего размера изготавливаются с использованием электрического испарения (EDV), которое является вариантом метода электрического пробоя . Прохождение тока между двумя электродами обычно приводит к выходу из строя внешней оболочки только на одной стороне нанотрубки. Таким образом, ток проходит между одним электродом и центром МУНТ, что приводит к выходу из строя внешней оболочки между этим электродом и центром. Процесс повторяется на противоположной стороне, в результате чего образуется короткая концентрическая нанотрубка, которая ведет себя как подшипник с низким коэффициентом трения вдоль более длинной трубки.

Массивы наноактюаторов

Из-за незначительной величины выходной мощности, генерируемой одним наноактуатором, становится очевидной необходимость использования массивов таких актуаторов для выполнения более высокой задачи. Обычные методы, такие как химическое осаждение из паровой фазы (CVD), позволяют точно размещать нанотрубки, выращивая их непосредственно на подложке. Однако такие методы не позволяют получить МУНТ очень высокого качества. Более того, CVD — это высокотемпературный процесс, который серьезно ограничивает совместимость с другими материалами в системе. Подложка Si покрыта электронно-лучевым резистом и пропитана ацетоном, чтобы остался только тонкий полимерный слой. Подложка избирательно подвергается воздействию низкоэнергетического электронного луча СЭМ, который позже активирует адгезионные свойства полимера. Это составляет основу метода таргетинга. Метод выравнивания использует поверхностную скорость, полученную жидкостью при ее стекании с вращающейся подложки. МСНТ суспендируются в ортодихолробензоле (ОДХБ) путем обработки ультразвуком в ванне Aquasonic, которая разделяет большинство пучков МСНТ на отдельные МСНТ. Затем капли этой суспензии наносят пипеткой одну за другой в центр кремниевой подложки, установленной на центрифуге для нанесения покрытия, вращающейся со скоростью 3000 об/мин. Каждую последующую каплю суспензии набирают пипеткой только после полного высыхания предыдущей капли, чтобы обеспечить большую плотность и лучшее выравнивание МУНТ (90% МУНТ длиной более 1 мкм лежат в пределах 1°). Для формирования рисунка остальных компонентов наноактюаторов используется стандартная электронно-лучевая литография.

Метод дугового испарения

Рисунок 1.3: Карикатура, показывающая базовую экспериментальную установку для крупномасштабного синтеза углеродных нанотрубок методом дугового разряда.

Этот метод является вариантом стандартного метода дугового разряда, используемого для синтеза фуллеренов в атмосфере инертного газа. Как показано на рисунке 1.3, эксперимент проводится в реакционном сосуде, содержащем инертный газ, такой как гелий , аргон и т. д., проходящий под постоянным давлением. Потенциал около 18 В прикладывается к двум графитовым электродам (диаметры анода и катода 6 мм и 9 мм), разделенным внутри этой камеры небольшим расстоянием обычно 1–4 мм. Величина тока (обычно 50–100 А), пропускаемого через электроды для обеспечения образования нанотрубок, зависит от размеров электродов, расстояния между ними и используемого инертного газа. В результате атомы углерода выбрасываются из анода и осаждаются на катоде, что приводит к уменьшению массы анода и увеличению массы катода. Видно , что черный углеродистый осадок (смесь наночастиц и нанотрубок в соотношении 1:2) растет на внутренней стороне катода, а снаружи формируется твердая серая металлическая оболочка. Общий выход нанотрубок как доля исходного графитового материала достигает пика при давлении 500 Торр, при котором 75% израсходованного графитового стержня превращается в нанотрубки. Образующиеся нанотрубки имеют диаметр от 2 до 20 нм и длину от нескольких микрометров до нескольких микрометров. Выбор этого метода имеет ряд преимуществ перед другими методами, такими как лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы, например, меньшее количество структурных дефектов (из-за высокой температуры роста), лучшие электрические, механические и термические свойства, высокая производительность (несколько сотен мг в десять минут) и т. д.

Техника электрического пробоя

Рисунок 1.4: (A) График, показывающий удивительно дискретное, постоянное падение проводимости при удалении каждой последующей углеродной оболочки под постоянным напряжением (B) Изображения частично разрушенных МУНТ показывают явное утончение с уменьшением радиуса, равного межоболочному расстоянию (0,34). нм), умноженное на количество завершенных шагов разбивки. Два сегмента этого образца были независимо утончены на 3 и 10 ракушек, как показано на цветных наложениях.

Крупномасштабный синтез углеродных нанотрубок обычно приводит к случайному изменению пропорций различных типов углеродных нанотрубок. Некоторые из них могут быть полупроводниковыми, а другие могут быть металлическими по своим электрическим свойствам. Большинство приложений требуют использования таких специфических типов нанотрубок. Метод электрического пробоя позволяет разделить и выбрать нужный тип нанотрубок. Известно, что углеродные нанотрубки выдерживают очень большие плотности тока до 10 ⁹ А/см ² отчасти из-за сильных сигма-связей между атомами углерода. Однако при достаточно высоких токах нанотрубки выходят из строя в первую очередь из-за быстрого окисления внешней оболочки. Это приводит к частичному падению проводимости, которое становится очевидным в течение нескольких секунд. Применение повышенного смещения приводит к множественным независимым и ступенчатым падениям проводимости (рис. 1.4), возникающим в результате последовательного разрушения углеродных оболочек. Ток в МУНТ обычно течет по внешней оболочке из-за прямого контакта между этой оболочкой и электродами. Такое контролируемое разрушение оболочек, не затрагивающее внутренние слои МУНТ, позволяет эффективно разделять нанотрубки.

Принцип

Ротор приводится во вращение с помощью электростатического привода. Синусоидальные напряжения общей частоты, сдвинутые по фазе, на два лежащих в плоскости статора , _{и напряжение смещения постоянного} S2 , _: сигнал напряжения удвоенной частоты на затвор статора S3 _S1 тока на пластину ротора R подаются, как показано ниже

$S_{1}=V_{0}\sin(\omega t)$

$S_{2}=V_{0}\sin(\omega t-\pi )$

$S_{3}=V_{0}\sin(2\omega t+{\pi /2})$

$R=-V_{0}$

Путем последовательного приложения этих асимметричных напряжений статора (менее 5 В) пластина ротора может быть притянута к последовательным статорам, что приведет к завершению вращения пластины. Большая близость между статорами и пластиной ротора является одной из причин, по которой для электростатического срабатывания не требуется большая сила. Изменение направления смещения заставляет ротор вращаться в противоположном направлении, как ожидалось.

Приложения

• Вращающаяся металлическая пластина может служить зеркалом для оптических разверточных и переключающих устройств сверхвысокой плотности, поскольку пластина находится на пределе фокусировки видимого света. Массив таких исполнительных механизмов, каждый из которых служит высокочастотным механическим фильтром, можно использовать для параллельной обработки сигналов в телекоммуникациях.
• Пластина может служить лопастью для индукции или обнаружения движения жидкости в микрофлюидных приложениях. Он может служить биомеханическим элементом в биологических системах, управляемым катализатором в реакциях влажной химии или общим сенсорным элементом.
• Заряженную колеблющуюся металлическую пластину можно было использовать в качестве передатчика электромагнитного излучения.

Приводы на основе нанотрубок, управляемые тепловым градиентом

Рисунок 2.1: Наномотор, управляемый температурным градиентом. (A и B): СЭМ-изображения экспериментальной установки. (C) Схема наномотора, также показывающая степени свободы.

Наноактуатор, показанный на рисунке 2.1, состоит из двух электродов, соединенных длинной МУНТ. Золотая пластина действует как груз и крепится к более короткой и широкой концентрической нанотрубке. Груз движется к более холодному электроду (рис. 2.2) из-за температурного градиента в более длинной нанотрубке, вызванного проходящим через нее высоким током. Максимальная скорость была приближена к 1 мкм/с, что сопоставимо со скоростями, достигаемыми кинезиновыми биомоторами.

Изготовление

МУНТ изготавливаются с использованием стандартного процесса дугового испарения и наносятся на подложку из окисленного кремния. На золотую пластину в центре МСНТ нанесен рисунок с помощью электронно-лучевой литографии и испарения Cr/Au. В ходе того же процесса электроды прикрепляются к нанотрубке. Наконец, метод электрического пробоя используется для выборочного удаления нескольких внешних стенок МУНТ. Как и наноактуатор из группы Зеттля , он обеспечивает вращение и перемещение более короткой нанотрубки с низким коэффициентом трения вдоль оси более длинной трубки. Применение метода электрического пробоя не приводит к удалению трубы (труб) под грузом. Это может быть связано с тем, что металлический груз поглощает тепло, выделяемое в части трубки в непосредственной близости от нее, тем самым задерживая или, возможно, даже предотвращая окисление трубки в этой части.

Принцип

Рисунок 2.2: Движение более коротких нанотрубок (красные) вдоль более длинных трубок (желтые) от более горячей (верхней) секции нанотрубки к более холодной (нижней) секции нанотрубки, несущей металлический груз (серый).

Рисунок 2.3: Степень поступательного движения и вращения зависит от киральности двух нанотрубок.

Взаимодействие между более длинными и более короткими трубками создает энергетическую поверхность, которая ограничивает движение определенными треками – перемещением и вращением. Степень поступательного и вращательного движения более короткой трубки сильно зависит от киральности двух трубок, как показано на рисунке 2.3. Движение в наноактюаторе демонстрировало склонность более короткой трубки следовать по пути с минимальной энергией. Этот путь может иметь либо примерно постоянную энергию, либо иметь ряд препятствий. В первом случае трением и колебательным движением атомов можно пренебречь, во втором случае ожидается скачкообразное движение.

Пошаговое движение

Ступенчатое движение можно объяснить существованием периодических энергетических барьеров относительного движения между более длинными и более короткими трубками. Для данной пары нанотрубок отношение шага вращения к шагу трансляции обычно является константой, значение которой зависит от хиральности нанотрубок. Энергию таких барьеров можно оценить по температуре в нанотрубке, нижнюю границу которой можно оценить как температуру плавления золота (1300 К), отметив, что золотая пластина плавится (рис. 2.4), образуя сферическую структуру как ток пропускается через наномотор. Скорость движения γ можно записать как функцию частоты попыток $\omega$, постоянная Больцмана $k$и температура $T$ как: $$\Gamma ={\omega \over 2\pi }e^{{-\Delta E} \over kT}.$$ принимая $\Gamma \approx 1{\text{ Hz}}$, используя приближение: $$\omega ={\sqrt {\Delta E \over {ma_{0}^{2}}}},$$ где m - масса груза и $a_{0}^{2}$ представляет площадь контакта, высота барьера оценивается как 17 мкэВ на атом.

Рисунок 2.4: СЭМ-изображения показывают превращение золотой пластины (слева) в шар (справа) из-за очень высоких температур.

Механизм срабатывания

Было сделано множество предложений для объяснения приводного механизма наноактуатора. Высокий ток (0,1 мА), необходимый для привода привода, вероятно, приведет к достаточному рассеиванию энергии для очистки поверхности от загрязнений; следовательно, исключается возможность того, что загрязняющие вещества будут играть важную роль. Возможность электромиграции, при которой электроны перемещают атомные примеси посредством передачи импульса вследствие столкновений, также была исключена, поскольку изменение направления тока не повлияло на направление смещения. Точно так же вращательное движение не могло быть вызвано индуцированным магнитным полем из-за тока, проходящего через нанотрубку, поскольку вращение могло быть левым или правым в зависимости от устройства. Эффект рассеянного электрического поля не мог быть движущим фактором, поскольку металлическая пластина оставалась неподвижной для устройств с высоким сопротивлением даже при большом приложенном потенциале. Термический градиент в нанотрубке дает лучшее объяснение механизма движения.

Движение, вызванное тепловым градиентом

Индуцированное движение более короткой нанотрубки объясняется как обратное рассеянию тепла, которое происходит при трении, когда скольжение двух контактирующих объектов приводит к рассеиванию части кинетической энергии в виде фононных возбуждений, вызванных гофрировкой границы раздела. Наличие температурного градиента в нанотрубке вызывает суммарный ток фононных возбуждений, перемещающийся из более горячей области в более холодную. Взаимодействие этих фононных возбуждений с мобильными элементами (атомами углерода в более короткой нанотрубке) вызывает движение более короткой нанотрубки. Это объясняет, почему более короткая нанотрубка движется к более холодному электроду. Изменение направления тока не влияет на форму температурного градиента в более длинной нанотрубке. Следовательно, направление движения груза не зависит от направления приложенного смещения. Прямая зависимость скорости груза от температуры нанотрубки вытекает из того, что скорость груза экспоненциально уменьшается по мере увеличения расстояния от середины длинной нанотрубки.

Недостатки

Рисунок 2.5: График, демонстрирующий прямую зависимость между температурным градиентом и смещением более короткой трубы/груза.

Температуры и температурный градиент, которым подвергаются МУНТ, очень высоки. С одной стороны, высокий температурный градиент, по-видимому, оказывает крайне негативное влияние на срок службы таких наноактюаторов. С другой стороны, эксперименты показывают, что смещение более короткой трубки прямо пропорционально температурному градиенту (см. рисунок 2.5). Поэтому необходимо найти компромисс для оптимизации температурного градиента. Размеры подвижной нанотрубки напрямую связаны с высотой энергетического барьера. Хотя текущая модель возбуждает несколько фононных мод, селективное возбуждение фононных мод позволит снизить температуру фононной ванны.

Приложения

• Фармацевтика/нанофлюидика – температурный градиент можно использовать для перемещения жидкостей внутри нанотрубок или в нанофлюидных устройствах, а также для доставки лекарств с помощью наношприцов.
• Создание биоинженерных нанопор с использованием тепла, выделяемого молекулами аденозинтрифосфата (АТФ).

Электронная ветряная мельница

Рисунок 3.1: Наномотор MWNT (A) и нанодрель (B).

Структура

Как показано на рисунке 3.1, наномотор состоит из двустенных УНТ (ДУНТ), образованных из ахиральной (18,0) внешней трубки, прикрепленной к внешним золотым электродам, и более узкой хиральной (6,4) внутренней трубки. Центральную часть внешней трубки удаляют методом электрического пробоя, чтобы обнажить свободно вращающуюся внутреннюю трубку. Наносверло также содержит ахиральную внешнюю нанотрубку, прикрепленную к золотому электроду, а внутренняя трубка соединена с ртутной ванной.

Принцип

Обычные наномоторы из нанотрубок используют статические силы, которые включают в себя упругие, электростатические силы, силы трения и силы Ван-дер-Ваальса. Модель электронной ветряной мельницы использует новый механизм привода «электронная турбина», который устраняет необходимость в металлических пластинах и воротах, которые требуются вышеупомянутым наноактюаторам. Когда между электродами подается постоянное напряжение, слева направо создается «ветер» электронов. Поток падающих электронов во внешнюю ахиральную трубку первоначально обладает нулевым угловым моментом, но после взаимодействия с внутренней киральной трубкой приобретает конечный угловой момент. Согласно третьему закону Ньютона, этот поток создает тангенциальную силу (следовательно, крутящий момент) на внутреннюю нанотрубку, заставляя ее вращаться, отсюда и название этой модели – «электронная ветряная мельница». При умеренных напряжениях касательная сила, создаваемая электронным ветром, намного превышает соответствующие силы трения.

Приложения

Некоторые из основных применений электронной ветряной мельницы включают в себя:

• Импульс напряжения может заставить внутренний элемент вращаться на рассчитанный угол, что заставит устройство вести себя как переключатель или наноразмерный элемент памяти.
• Модификация электронной ветряной мельницы для создания наножидкостного насоса путем замены электрических контактов резервуарами атомов или молекул под воздействием приложенной разницы давлений.

См. также

• Углеродные нанотрубки
• Приводы из углеродных нанотрубок
• Молекулярный мотор
• Мотор (значения)
• Наномотор
• Нанотехнологии
• Синтетический молекулярный двигатель

Внешние ссылки

• Физики построили самый маленький в мире двигатель, используя нанотрубки и травленный кремний
• Исследовательский проект Nanotube Nanomotor. Архивировано 20 июля 2011 г. в Wayback Machine.
• Ветряные мельницы из углеродных нанотрубок, работающие на «электронном ветру»
• Исследования Zettl Group: дополнительный материал для ротора из нанотрубок
• Первый в мире тепловой наномотор, приводимый в движение изменениями температуры
• Изображения первого наномотора, приводимого в движение тепловым градиентом
• Ветряные мельницы из углеродных нанотрубок, работающие на «электронном ветру»