Створений перший наномотор

Фізики із США побудували перший наноелектромеханічний актюатор – пристрій, що використовує ефекти поверхневого напруження. "Релаксирующий осцилятор" (Relaxation oscillator) складається з двох крапель рідкого металу на поверхні вуглецевих нанотрубок і приводиться в дію слабким електромагнітним полем. Алекс Зеттл\Alex Zettl і його колеги з Каліфорнійського університету (University of California at Berkeley) та Національної лабораторії Лоуренса (Lawrence Berkeley National Laboratory) заявляють, що новий нанодвигун може бути використаний у різноманітних наномеханічних застосуваннях, включно – у приводах головок та моторах ((B C Regan et al. 2005 Appl. Phys. Lett. 86 123119)).

У нанорозмірному діапазоні поверхнева напруженість виконує важливу роль і в масштабі мікрона та меншому – є домінуючою силою. Ось чому, наприклад на відміну від людей, комахи можуть ходити по поверхні води. Слабке електромагнітне поле може змінювати поверхневе натягнення крапель рідини і це застосовується в таких пристроях, як струменеві принтери. Але дотепер цю силу як рушійну не розглядали.

Мал. 1. Принцип дії наномотора

Схематичне зображення наноелектромеханічного релаксуючого осцилятора

Дві краплі рідини, позначені I і II розташовані на поверхні вуглецевої нанотрубки. Електричний струм, що протікає по нанотрубці, викликає міграцію окремих атомів крапель уздовж поверхні нанотрубки від краплі I до краплі II (напрям показаний маленькою стрілкою). Радіус маленької краплі II збільшується швидше, ніж зменшується радіус краплини I. Процес триває до тих пір, поки краплі не стикаються один з одним. Сили поверхневого натягнення примушують краплі помінятися місцями, використовуючи створений торканням гідродинамічний канал. Потім цикл повторюється. Частота переміщення крапель залежить від величини постійної напруги, прикладеної до нанотрубки.

Осцилятор, виготовлений Зеттлом і його колегами складається з "великої" краплини рідкого індія діаметром 90 нанометрів, розміщений поряд з "маленькою", діаметром 30 нанометрів (див. рис.1). Цикл осцилятора складається з швидкої "релаксації" і повільного "відновлення" крапель. Група дослідників запустила мотор з швидкої фази "відновлення", приклавши постійну напругу до нанотрубки, примусивши атоми мігрувати від однієї краплі до іншої.

Мал. 2. Мікрофотографії наноелектромеханічного осцилятора

Ряд мікрофотографій, одержаних за допомогою TЕM мікроскопії, показує один період коливання осцилятора. Друга фотографія зліва показує обмін рідким металом між краплинами I і II. Нанотрубка, видима на фотографіях, служить нанопровідником електричного струму. У першому зображенні краплю II ледве видно, але вже на третьому вона збільшилася до зіткнення з краплею I. На четвертому кадрі можна бачити стан осцилятора після релаксації, відповідне початку циклу.

За допомогою камери, вбудованої в ТЕМ (електронний мікроскоп, що просвічує) дослідники спостерігали процес перенесення атомів від однієї краплини до іншої. Як тільки краплі стикалися одна з одною, між ними виникав гідродинамічний канал, який сприяв прискореному перетіканню атомів металу і, таким чином, краплі мінялися місцями. З часом цей процес повторювався (див. мал. 2).

Команда Берклі упевнена, що зможе збільшити частоту роботи осцилятора, збільшивши амплітуду постійної напруги, що подається на нанотрубку. У працюючому наномоторі цикл обміну краплями протікає за 200 пікосекунд при використаній напрузі в 1.3 вольт. Якщо учені підвищать напругу до 1.5 вольт, то частота роботи пристрою приблизиться до гігагерцевого діапазону.

Belle Dume is science writer at PhysicsWeb.

Джерело Notechweb.org  23 березня 2005

Висловити думку у Форумі

Дивіться інші матеріали рубрики „Інноватика”