10.10 Вращающийся нанопропеллер

Исследователи из Канады изготовили вращающийся ротор нанометровых размеров, который приводится в движение химическим топливом — перекисью водорода (Н₂0₂).

Исследователь Джеффри Озин и его команда из Университета То­ронто сначала изготовили ряд «штырей» длиной 300 нм, одна половина которых состояла из золота, а другая — из никеля. Далее исследователи скомпоновали из них ротор, похожий на пропеллер. Диа­метр ротора составил около I мкм. Полученное устройство поместили на кремниевую матрицу, где ротор закрепили на миниатюрном под­шипнике скольжения. Всю систему залили водой. Как только в воду был добавлен слабый раствор перекиси водорода (Н₂0₂), пропеллер на­чал вращаться с постоянной скоростью. Как говорит Озин, открытие произошло случайно, исследователи не ставили перед собой целью со­здание пероксидного мотора. Цель их исследований - создание наноструктур различного типа, а добавление пероксида в раствор было всего лишь одним из тестов.

Расскажем подробнее, как работает новый актюатор. Эффект вра­щения получился благодаря тому, что лопасти пропеллера состоят из металлов, различным образом взаимодействующих с перекисью водорода. Золото не взаимодействует с перекисью, а лопасти пропелле­ра присоединены к валу золотым концом. А никель выступает в роли катализатора, помогая пероксиду распадаться на кислород и воду. Таким образом, на никелевых концах с постоянной скоростью нача­ли образовываться пузырьки кислорода, сразу же отрываясь от лопа­сти. Их движение, направленное от лопасти в окружающую среду, вызвало силу, которая, взаимодействуя на лопасти, заставила ротор вращаться.

При постоянной концентрации пероксида в растворе ротор вра­щался с постоянной скоростью. Исследователям даже удалось ревер­сировать направление вращения ротора. Но несмотря на то что полу­ченный ротор «почти» наномашина, Озин сомневается в том, что именно такими двигателями будут в будущем приводиться в движе­ние наносистемы. «Да, полученное нами устройство вращается. Да, практически во всех машинах есть моторы вращательного действия, которые приводят их в движение. Но этот мотор неуправляем, а это ограничивает его возможное применение в таких наномашинах, как наноманипуляторы и нанороботы», — заключил исследователь.

Напомним, что работы по созданию актюаторов вращательного дей­ствия ведутся уже давно. Ранее были созданы наномоторы на биологи­ческой основе (АТФ-синтеза) с использованием кремниевых НЭМС-устройств, а также молекул ДНК. Новый мотор представляет собой класс химических наномоторов, которыми исследователи еще всерьез не за­нимались.

10.10.1 Новый подход в наномоторах - использование силы поверхностного натяжения

Физики из США построили первый наноэлектромеханический актюатор, который использует эффекты поверхностного натяжения. «Релаксирующий осциллятор» состоит из двух капель жидкого металла на по­верхности углеродных нанотрубок и приводится в движение слабым электромагнитным полем. Алекс Зеттл и его коллеги из Калифорний­ского университета и Национальной лаборатории Лоуренса заявляют, что новый наномотор послужит приводным устройством для различных наноэлектромеханических систем (НЭМС).

Поверхностное натяжение играет большую роль в наноразмерном диапазоне. Уже в микронном диапазоне оно имеет доминирующее зна­чение по сравнению с другими силами. Вот почему, например, некото­рые насекомые могут ходить по поверхности воды. Слабое электромаг­нитное поле может изменять поверхностное натяжение капель жидкости, и это применяется в таких устройствах, как струйные принтеры. Но до сих пор эту силу не рассматривали в качестве движущей. Схематическое изображение наноэлектромеханического релакси-рующего осциллятора «две капли жидкости», обозначенные I и II и расположеннные на поверхности углеродной нанотрубки, показано на рис. 10.15. Электрический ток, протекающий по нанотрубке, вызывает миграцию отдельных атомов капель вдоль поверхности нанотрубки от капли I к капле II (направление показано маленькой стрелкой). Радиус маленькой капли II

Рис. 10.15. Принцип действия наномотора

увеличивается быстрее, чем уменьшается радиус капли I. Процесс длится до тех пор, пока капли не соприкасаются друг с другом. Силы поверхностного натяжения заставляют капли поменяться местами, используя созданный касанием гидродинамический канал. Затем цикл повторяется. Частота перемещения капель зависит от вели­чины постоянного напряжения, приложенного к нанотрубке.

Осциллятор, изготовленный Зеттлом и его коллегами, состоит из «большой» капли жидкого индия диаметром 90 нм, расположенной ря­дом с «маленькой», диаметром 30 нм (рис. 10.21). Цикл осциллятора со­стоит из быстрой «релаксации» и медленного «восстановления» капель. Группа исследователей запустила мотор с быстрой фазы «восстановле­ния», приложив постоянное напряжение к нанотрубке, заставив атомы мигрировать от одной капли к другой. Ряд микрофотографий, полученных с помощью ТЭМ (просвечивающий электронный микроскоп), показывают один пери­од колебания осциллятора. Вторая фотография слева показывает об­мен жидким металлом между каплями I и II. Нанотрубка, видимая на фотографиях, служит нанопроводником электрического тока. На пер­вом изображении капля II еле видна, но уже на третьем она увеличи­лась до соприкосновения с каплей I. На четвертом кадре можно ви­деть состояние осциллятора после релаксации, соответствующее началу цикла.

С помощью камеры, встроенной в ТЭМ, исследователи наблюдали процесс переноса атомов от одной капли к другой. Как только капли соприкасались друг с другом, между ними возникал гидродинамичес­кий канал, который способствовал ускоренному перетеканию атомов металла, и таким образом капли менялись местами. Со временем этот процесс повторялся.

Зеттл и его команда уверены, что смогут увеличить частоту работы осциллятора, увеличив амплитуду постоянного напряжения, подавае­мого на нанотрубку. В работающем наномоторе цикл обмена каплями протекает за 200 пс при приложенном напряжении в 1,3 В. Если ученые повысят напряжение до 1,5 В, то частота устройства войдет в гигагерцевый диапазон.