Устройство, генерирующее линейное или вращательное движение с использованием углеродной нанотрубки (ок) в качестве основного компонента, называется нанотрубчатым наномотором . Природа уже имеет некоторые из самых эффективных и мощных видов наномоторов. Некоторые из этих природных биологических наномоторов были перепроектированы для обслуживания желаемых целей. Однако такие биологические наномоторы предназначены для работы в определенных условиях окружающей среды ( pH , жидкая среда, источники энергии и т. д.). С другой стороны, изготовленные в лаборатории нанотрубчатые наномоторы значительно более надежны и могут работать в различных средах, включая различные частоты, температуры, среды и химические среды. Огромные различия в доминирующих силах и критериях между макромасштабом и микро / наномасштабом открывают новые возможности для создания индивидуальных наномоторов. Различные полезные свойства углеродных нанотрубок делают их наиболее привлекательным материалом для создания таких наномоторов.
Всего через пятнадцать лет после создания первого в мире двигателя микрометрового размера Алекс Зеттл возглавил свою группу в Калифорнийском университете в Беркли, чтобы сконструировать первый нанотрубчатый наномотор в 2003 году. С тех пор появилось несколько концепций и моделей, включая наноактюатор, приводимый в действие тепловым градиентом, а также концептуальную электронную ветряную мельницу, обе из которых были представлены в 2008 году.
Закон Кулона гласит, что электростатическая сила между двумя объектами обратно пропорциональна квадрату их расстояния. Следовательно, когда расстояние уменьшается до менее нескольких микрометров, большая сила может быть создана из, казалось бы, малых зарядов на двух телах. Однако электростатический заряд масштабируется квадратично, поэтому электростатическая сила также масштабируется квадратично, как показывают следующие уравнения:
Альтернативно
Здесь A — площадь, C — емкость, F — электростатическая сила, E — электростатическое поле, L — длина, V — напряжение, Q — заряд. Несмотря на масштабирующий характер электростатической силы, она является одним из основных механизмов обнаружения и приведения в действие в области микроэлектромеханических систем (МЭМС) и является основой рабочего механизма первого нанодвигателя НЭМС. Квадратичный масштаб смягчается за счет увеличения количества единиц, генерирующих электростатическую силу, как это наблюдается в приводах гребенок во многих устройствах МЭМС.
Так же, как и электростатическая сила, сила трения масштабируется квадратично с размером F ~ L 2 . [2]
Трение — это вечно мучительная проблема, независимо от масштаба устройства. Оно становится еще более заметным, когда устройство уменьшается. В наномасштабе оно может нанести ущерб, если его не учитывать, поскольку части устройства наноэлектромеханических систем (НЭМС) иногда имеют толщину всего в несколько атомов. Кроме того, такие НЭМС-устройства обычно имеют очень большое отношение площади поверхности к объему. Поверхности в наномасштабе напоминают горный хребет, где каждый пик соответствует атому или молекуле. Трение в наномасштабе пропорционально количеству атомов, которые взаимодействуют между двумя поверхностями. Следовательно, трение между идеально гладкими поверхностями в макромасштабе фактически похоже на трение больших шероховатых объектов друг о друга. [3]
Однако в случае нанотрубчатых наномоторов межоболочечное трение в многослойных нанотрубках (MWNT) удивительно мало. Исследования молекулярной динамики показывают, что, за исключением небольших пиков, сила трения остается практически незначительной для всех скоростей скольжения, пока не будет достигнута особая скорость скольжения. Моделирование, связывающее скорость скольжения, индуцированное вращение, межоболочечную силу трения с приложенной силой, дает объяснения низкого межстеночного трения. Вопреки ожиданиям макромасштаба скорость, с которой внутренняя трубка движется внутри внешней трубки, не следует линейной зависимости с приложенной силой. Вместо этого скорость остается постоянной (как на плато), несмотря на то, что приложенная сила время от времени скачет по значению на следующее плато. В нехиральных внутренних трубках не наблюдается реального вращения. В случае хиральных трубок наблюдается истинное вращение, и угловая скорость также скачет на плато вместе со скачками линейной скорости. Эти плато и скачки можно объяснить как естественный результат пиков трения для растущей скорости, устойчивая (растущая) сторона пика приводит к плато, падающая (неустойчивая) сторона приводит к скачку. Эти пики возникают из-за параметрического возбуждения колебательных мод в стенках трубок из-за скольжения внутренней трубки. За исключением небольших пиков, которые соответствуют плато скорости, сила трения остается практически пренебрежимо малой для всех скоростей скольжения до особой скорости скольжения. Эти плато скорости соответствуют пикам силы трения. Внезапный рост скорости скольжения обусловлен резонансным условием между частотой, которая зависит от периода гофрирования между трубками, и определенными фононными частотами внешней трубки, которые, как оказалось, обладают групповой скоростью, приблизительно равной скорости скольжения. [4]
Первый наномотор можно рассматривать как уменьшенную версию сопоставимого двигателя микроэлектромеханических систем (MEMS). Наноактюатор состоит из ротора с золотой пластиной, вращающегося вокруг оси многослойной нанотрубки (MWNT). Концы MWNT опираются на слой SiO 2 , который образует два электрода в точках контакта. Три фиксированных статорных электрода (два видимых статора «в плоскости» и один статор «затвора», скрытый под поверхностью) окружают узел ротора. Четыре независимых сигнала напряжения (один к ротору и один к каждому статору) применяются для управления положением, скоростью и направлением вращения. Зарегистрированные эмпирические угловые скорости обеспечивают нижнюю границу 17 Гц (хотя способны работать на гораздо более высоких частотах) во время полных оборотов. [5]
Многостенные углеродные нанотрубки синтезируются методом дугового разряда, суспендируются в 1,2-дихлорбензоле и наносятся на вырожденно легированные кремниевые подложки с 1 мкм SiO 2 . Многостенные углеродные нанотрубки можно выровнять в соответствии с предварительно нанесенной на подложку маркировкой с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) или сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). Ротор, электроды и статоры «в плоскости» шаблонизируются с помощью электронно-лучевой литографии с использованием соответствующим образом замаскированного фоторезиста. Золото с адгезионным слоем хрома термически испаряется, снимается в ацетоне, а затем отжигается при 400 °C для обеспечения лучшего электрического и механического контакта с многостенными углеродными нанотрубками. Ротор имеет размеры 250–500 нм на стороне. Затем используется травление HF для удаления достаточной толщины (500 нм SiO 2 ) подложки, чтобы освободить место для ротора при его вращении. Подложка Si служит в качестве статора затвора. MWNT в этой точке демонстрирует очень высокую крутильную упругую константу (от 10−15 до 10−13 Н ·м с резонансными частотами в десятки мегагерц), следовательно, предотвращая большие угловые смещения. Чтобы преодолеть это, одна или несколько внешних оболочек MWNT подвергаются риску или удаляются в области между якорями и пластиной ротора. Один простой способ добиться этого — последовательно подавать очень большие напряжения статора (около 80 В постоянного тока), которые вызывают механическую усталость и в конечном итоге сдвигают внешние оболочки MWNT. Альтернативный метод заключается в уменьшении самых внешних трубок MWNT до более мелких, более широких концентрических нанотрубок под пластиной ротора. [5]
Меньшие нанотрубки изготавливаются с использованием метода испарения под действием электрического тока (EDV), который является вариантом метода электрического пробоя. Прохождение тока между двумя электродами обычно приводит к разрушению внешней оболочки только с одной стороны нанотрубки. Таким образом, ток проходит между одним электродом и центром MWNT, что приводит к разрушению внешней оболочки между этим электродом и центром. Процесс повторяется на противоположной стороне, что приводит к образованию короткой концентрической нанотрубки, которая ведет себя как подшипник с низким трением вдоль более длинной трубки. [6]
Из-за незначительной величины выходной мощности, генерируемой одним наноактюатором, возникает необходимость использования массивов таких актюаторов для выполнения более сложной 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 производить MWNT очень высокого качества. Более того, CVD — это высокотемпературный процесс, который серьезно ограничивает совместимость с другими материалами в системе. Подложка Si покрывается резистом электронного пучка и пропитывается ацетоном, чтобы оставить только тонкий слой полимера. Подложка выборочно подвергается воздействию низкоэнергетического электронного пучка SEM, который позже активирует адгезионные свойства полимера. Это составляет основу метода нацеливания. Метод выравнивания использует поверхностную скорость, получаемую жидкостью, когда она стекает с вращающейся подложки. MWNT суспендируются в ортодихлобензоле (ODCB) путем ультразвуковой обработки в ванне Aquasonic, которая разделяет большинство пучков MWNT на отдельные MWNT. Капли этой суспензии затем пипетируют одну за другой на центр кремниевой подложки, установленной на вращающемся со скоростью 3000 об/мин устройстве для нанесения покрытия. Каждая последующая капля суспензии пипетируется только после полного высыхания предыдущей капли, чтобы обеспечить большую плотность и лучшее выравнивание MWNT (90% MWNT длиной более 1 мкм лежат в пределах 1°). Для формирования рисунка остальных компонентов наноактюаторов используется стандартная электронно-лучевая литография. [7]
Эта техника является вариантом стандартной техники дугового разряда, используемой 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., текущий при постоянном давлении. Потенциал около 18 В прикладывается к двум графитовым электродам (диаметры анода и катода составляют 6 мм и 9 мм), разделенным небольшим расстоянием обычно 1–4 мм внутри этой камеры. Величина тока (обычно 50–100 А), проходящего через электроды для обеспечения образования нанотрубок, зависит от размеров электродов, расстояния разделения и используемого инертного газа. В результате атомы углерода выбрасываются из анода и осаждаются на катоде, тем самым уменьшая массу анода и увеличивая массу катода. Черный углеродистый осадок (смесь наночастиц и нанотрубок в соотношении 1:2) растет на внутренней стороне катода, в то время как твердая серая металлическая оболочка образуется снаружи. Общий выход нанотрубок в пропорции к исходному графитовому материалу достигает пика при давлении 500 торр, в этот момент 75% потребляемого графитового стержня преобразуется в нанотрубки. Образующиеся нанотрубки имеют диаметр от 2 до 20 нм и длину от нескольких до нескольких микрометров. [8] Существует несколько преимуществ выбора этого метода по сравнению с другими методами, такими как лазерная абляция и химическое осаждение из паровой фазы, например, меньше структурных дефектов (из-за высокой температуры роста), лучшие электрические, механические и термические свойства, высокая производительность (несколько сотен мг за десять минут) и т. д. [9]
Крупномасштабный синтез углеродных нанотрубок обычно приводит к случайному изменению пропорции 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 обеспечивает средство для разделения и выбора нужного типа 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 демонстрирует несколько независимых и ступенчатых падений проводимости (рисунок 1.4) в результате последовательного разрушения углеродных оболочек. Ток в MWNT обычно проходит по внешней оболочке из-за прямого контакта между этой оболочкой и электродами. Это контролируемое разрушение оболочек без нарушения внутренних слоев многостенных углеродных нанотрубок позволяет эффективно разделять нанотрубки. [10]
Ротор приводится во вращение с помощью электростатического привода. Противофазные синусоидальные напряжения общей частоты к двум статорам S 1 , S 2 , расположенным в одной плоскости , сигнал напряжения удвоенной частоты к статору затвора S 3 и постоянное напряжение смещения к пластине ротора R применяются, как показано ниже:
Последовательным применением этих асимметричных напряжений статора (менее 5 В) пластина ротора может быть притянута к последовательным статорам, таким образом, заставляя пластину совершать полные обороты. Высокая близость между статорами и пластиной ротора является одной из причин, по которой для электростатического приведения в действие не требуется большой силы. Изменение смещения заставляет ротор вращаться в противоположном направлении, как и ожидалось. [5]
Наноактюатор, как показано на рисунке 2.1, состоит из двух электродов, соединенных через длинную MWNT. Золотая пластина действует как груз и прикреплена к более короткой и широкой концентрической нанотрубке. Груз движется к более холодному электроду (рисунок 2.2) из-за теплового градиента в более длинной нанотрубке, вызванного высоким током, который проходит через нее. Максимальная скорость была приблизительно равна 1 мкм/с, что сопоставимо со скоростями, достигаемыми кинезиновыми биомоторами. [11]
MWNT изготавливаются с использованием стандартного процесса испарения дуговым разрядом и наносятся на оксидированную кремниевую подложку. Золотая пластина в центре MWNT формируется с использованием электронно-лучевой литографии и испарения Cr/Au. В ходе того же процесса электроды прикрепляются к нанотрубке. Наконец, используется метод электрического пробоя для выборочного удаления нескольких внешних стенок MWNT. Так же, как и наноактюатор из группы Zettl, это обеспечивает вращение с низким трением и перемещение более короткой нанотрубки вдоль оси более длинной трубки. Применение метода электрического пробоя не приводит к удалению трубки(ок) под грузом. Это может быть связано с тем, что металлический груз поглощает тепло, выделяемое в части трубки в непосредственной близости от него, тем самым задерживая или, возможно, даже предотвращая окисление трубки в этой части. [11]
Взаимодействие между более длинными и более короткими трубками создает энергетическую поверхность, которая ограничивает движение определенными траекториями – трансляцией и вращением. Степень трансляционного и вращательного движения более короткой трубки сильно зависит от хиральности двух трубок, как показано на рисунке 2.3. Движение в наноактюаторе показало склонность более короткой трубки следовать по пути с минимальной энергией. Этот путь может либо иметь примерно постоянную энергию, либо иметь ряд барьеров. В первом случае трением и колебательным движением атомов можно пренебречь, тогда как во втором сценарии ожидается пошаговое движение. [11]
Ступенчатое движение можно объяснить существованием периодических энергетических барьеров для относительного движения между более длинными и более короткими трубками. Для данной пары нанотрубок отношение шага вращения к шагу поступательного движения 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 при прохождении тока через наномотор. Скорость движения γ можно записать как функцию частоты попыток , постоянной Больцмана и температуры как: Принимая , используя приближение: где m — масса груза и представляет собой площадь контакта, высота барьера оценивается как 17 мкэВ на атом. [11]
Было сделано много предложений для объяснения механизма привода, лежащего в основе наноактюатора. Высокий ток (0,1 мА), необходимый для привода актюатора, вероятно, вызовет достаточное рассеивание для очистки поверхности от загрязнений; следовательно, исключается возможность того, что загрязнители играют важную роль. Возможность электромиграции, когда электроны перемещают атомные примеси посредством передачи импульса из-за столкновений, также была исключена, поскольку изменение направления тока не влияло на направление смещения. Аналогично, вращательное движение не могло быть вызвано индуцированным магнитным полем из-за тока, проходящего через нанотрубку, поскольку вращение могло быть как левым, так и правым в зависимости от устройства. Эффект рассеянного электрического поля не мог быть движущим фактором, поскольку металлическая пластина оставалась неподвижной для высокоомных устройств даже при большом приложенном потенциале. Тепловой градиент в нанотрубке дает лучшее объяснение механизма привода. [11]
Вызванное движение более короткой нанотрубки объясняется как обратный процесс рассеивания тепла, который происходит при трении, когда скольжение двух контактирующих объектов приводит к рассеиванию части кинетической энергии в виде фононных возбуждений, вызванных гофрировкой интерфейса. Наличие теплового градиента в нанотрубке вызывает чистый ток фононных возбуждений, перемещающихся из более горячей области в более холодную. Взаимодействие этих фононных возбуждений с подвижными 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 теплового градиента в более длинной нанотрубке. Следовательно, направление движения груза не зависит от направления приложенного смещения. Прямая зависимость скорости груза от температуры нанотрубки выводится из того факта, что скорость груза экспоненциально уменьшается по мере увеличения расстояния от средней точки длинной нанотрубки. [11]
Температуры и температурный градиент, которым подвергаются MWNT, очень высоки. С одной стороны, высокий температурный градиент, по-видимому, оказывает крайне пагубное 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 фононной моды позволило бы снизить температуру фононной ванны. [11]
Как показано на рисунке 3.1, наномотор состоит из двустенной УНТ (ДУНТ), образованной из ахиральной (18,0) внешней трубки, прикрепленной к внешним золотым электродам, и более узкой хиральной (6,4) внутренней трубки. Центральная часть внешней трубки удаляется с помощью техники электрического пробоя, чтобы обнажить свободно вращающуюся внутреннюю трубку. Наносверло также состоит из ахиральной внешней нанотрубки, прикрепленной к золотому электроду, но внутренняя трубка соединена с ртутной ванной. [12]
Обычные нанотрубчатые наномоторы используют статические силы, которые включают упругие, электростатические, трение и силы Ван-дер-Ваальса. Модель электронной ветряной мельницы использует новый приводной механизм «электронной турбины», который устраняет необходимость в металлических пластинах и затворах, которые требуются для вышеупомянутых наноактюаторов. Когда постоянное напряжение подается между электродами, слева направо создается «ветер» электронов. Падающий поток электронов во внешней ахиральной трубке изначально обладает нулевым угловым моментом, но приобретает конечный угловой момент после взаимодействия с внутренней хиральной трубкой. По третьему закону Ньютона этот поток создает тангенциальную силу (следовательно, крутящий момент) на внутренней нанотрубке, заставляя ее вращаться, отсюда и название этой модели – «электронная ветряная мельница». При умеренных напряжениях тангенциальная сила, создаваемая электронным ветром, намного превышает связанные с ним силы трения. [12]
Некоторые из основных применений электронной ветряной мельницы включают в себя:
