реферат (1041021), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Рисунок 4- Схема наноактуатора-мотора
Тепловые актюаторы обычно создают на эффектах теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл− диэлектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов производят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии оказывается весьма низкой. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько увеличить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%.
Химическое управление наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда (как например, в моторе наномашины) используют свет, который, воздействуя на химические молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – это крошечное устройство способно выталкивать и втягивать сделанный из молекулы ДНК стержень соскоростью почти 190 нм в секунду, а общее перемещение может достигать 3 мкм. Диаметр этого стержня – всего 2 нм. Вместо нанобатарейки такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ – источник энергии, которым пользуются живые клетки (и наши клетки в том числе). Таким образом, чтобы включить мотор, нужно впрыснуть порцию молекул АТФ.
Другой молекулярный мотор – ATФ-синтетаза, предназначенный для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (Н+) через мембрану клетки, работает в клеточных мембранах животных, обеспечивая стабильность внутриклеточного рН цитоплазмы. Он преобразует энергию, запасенную в протонном градиенте, в химическую энергию. За объяснения
его функционирования внутри клетки Е. Скоу, П. Бойер и Дж. Уолкер (J.C. Skou, P. Boyer и J. Walker) получили Нобелевскую премию в 1997 году. Интересно, что при синтезе или гидролизе АТФ одна из частей энзима совершает вращательное движение по или против часовой стрелки, впуская протоны внутрь клетки или выпуская их наружу. По эффективности работы и развиваемой силе АТФ синтетаза существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Типичная сила, продуцируемая такой молекулярной турбиной. составляет около 1 пкН, а мощность – порядка 1 аВт (1•10−18 Вт). Существует множество других наноактюаторов, созданных на основе биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов. И все они по-своему оригинальны и необходимы. Ведь если не будет наноактюаторов, то у нас не останется никаких возможностей внести свой вклад в движение наномира.
Вывод
В настоящее время можно выделить две основные тенденции в создании Наноэлектромеханических систем: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем (МЭМС) и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление. К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить.