Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В результате рассматриваемый наногенератор может вырабатывать ток напряжением до 3 В и силой до 300 нА.

Схема производства наногенератора

Новые пьезоэлектрические наногенераторы для самозаряжаемых персональных электронных устройств

Продемонстрирован новый прототип наногенераторов на основе полимерной пленки поливинилиденфторида, обладающей пьезоэлектрическими свойствами.

В работе Y. Mao et al., Adv. Energy Mater, продемонстрирован новый прототип наногенераторов на основе полимерной пленки поливинилиденфторида, обладающей пьезоэлектрическими свойствами. Принцип работы подобных устройств довольно прост. Пьезоэлектрический материал под воздействием вибраций или изгибов преобразовывает механическую энергию в электрическую. Малый размер, а также особенная мягкость такого материала позволяет делать это довольно эффективно на нанометровых масштабах.

В настоящее время существует много различных наногенераторов, работающих на основе пьезоэффекта. По мнению авторов преимущества их образца для практических целей заключаются в том, что можно легко изменять его размеры и интегрировать в различные электронные устройства. Используемая полимерная пленка похожа на губку. Схема эксперимента, проведенного в работе, представлена на рисунке. С двух сторон на полимерную пленку крепятся электроды (медная фольга). Пленка с электродами устанавливается на поверхность, по которой и будут распространяться вибрации. Сверху на пленку с электродами помещается мобильный телефон, который в данном эксперименте играет роль массы, усиливающей колебания пленки. Показано, что напряжение за счет вибраций на поверхности может достигать в такой схеме 3,7 В (для сравнения напряжение питания USB-порта 5 В). Этого хватило, чтобы включить телефон с установленной аккумуляторной батареей (видео прилагается в дополнительных материалах к статье). Следует отметить, что пока необходимая частота генератора колебаний довольно большая (около 40 Гц), чтобы применять подобное устройство для зарядки телефона от вибраций, например, в автомобиле.

Рисунок – Схема проведенного эксперимента

Наномоторы

Наномотор — молекулярное устройство, способное преобразовывать энергию в движение. В типичном случае он может создавать силу порядка одного пиконьютона.[4]

Самый маленький и быстрый наномотор: 1 мкм, 18 000 RPM

Специалисты из Техасского университета в Остине собрали самый маленький и быстрый в мире искусственный мотор. По заявлениям разработчиков, мотор размером 1 микрометр вращался 15 часов, разгоняясь до 18 000 RPM (300 оборотов в секунду). Общее количество оборотов превысило 240 000. Это значительное достижение, потому что предыдущие модели таких моторов вращались не более чем на 5000 RPM всего несколько минут.

Наномоторы изготовлены из трёх базовых компонентов: крошечная проволока Au/Ni/Au работает как ротор, располагаясь на магните Au/M/Cr с квадрупольной системой из четырёх микроэлектродов, соединёнными попарно. Они играют роль статора. В составе магнита M — это магнитный материал, например, никель и кобальт. Верхний слой золота используется для регулировки расстояния между магнитом и нанопроволокой, чтобы изменять магнитное притяжение на роторе.

Трёхслойный магнит — ключевой компонент системы. Магнитное притяжение регулируется настолько точно, что магнит способен притянуть проволоку к основанию, но не настолько сильно, чтобы помешать её вращению.

Инженерам удалось решить две ключевые проблемы: автоматическую сборку наномоторов и управление их движением. Сборку производили с помощью новой техники «электрического пинцета», которая позволяет помещать наночастицы в субстрате по произвольным траекториям с точностью 150 нм, контролируя их угол и скорость в пульсирующем токе (см. иллюстрацию c).


Эксперимент показал, что можно дистанционно изменять угол наклона наномоторов и управлять скоростью вращения роторов. В том числе одновременно управляя группой моторов. Скорость вращения напрямую зависит от квадрата напряжённости электрического поля.

Разработка эффективных наномоторов — важнейший этап на пути к созданию наноэлектромеханических систем (NEMS), которые в будущем будут выполнять медицинские операции. Например, осуществлять инъекции медицинских препаратов внутри человеческого тела или даже искать и удалять больные клетки из организма, как это показано на иллюстрации Техасского университета в Остине.



Учёные подчёркивают, что максимальную скорость вращения проверяли чисто ради эксперимента, чтобы оценить надёжность конструкции. На практике настолько быстро вращающиеся металлические детали внутри организма вряд ли принесут пользу. [5]

Наномотор для нанороботов

Исследователи из Китая и Великобритании разработали новый тип наноразмерных моторов и смогли создать массив подобных наноустройств на подложке микронных размеров. Ученые считают, что однажды подобные наномоторы будут приводить в движение нанороботов и другие сложные наномеханичесие системы.

Отдельные роторы-наномоторы вращаются не вокруг своей оси симметрии, более того, ось их вращения незафиксирована, поэтому управлять наномотором достаточно сложно С помощью сканирующей туннельной микроскопии Хонджун Гао (Hongjun Gao) и его коллеги из университета Ливерпуля смогли иммобилизовать молекулу тетратертбутила цинкфталоцианина на золотой поверхности так, что ось вращения оставалась неподвижной. Исследования проводились совместно с китайскими коллегами из Китайской Национальной Академии Наук (Chinese Academy of Sciences).

Нанесение было выполнено методом испарения раствора с молекулами на золотой подложке. Места присоединения молекул к поверхности золота приходились на атомы азота. Наномоторы, полученные таким образом, работают под воздействием теплового возбуждения.

Рисунок – Математическая модель молекулы наномотора

Движение мотора со смещенным центром вращения можно проиллюстрировать, представив себе колесо, ось вращения которого находится на ободе. Примерно так и работает новый наномотор. Кроме теплового возбуждения, моторы можно привести в движение с помощью транспорта электронов через золотую подложку и молекулы. Ученые также изучают возможность работы устройства от помещения в центр молекулы магнитного атома. Это приведет к появлению магнитного момента, и, как следствие, к вращению молекулы. Частоту вращения можно будет регулировать силой тока, вызывающего вращающееся магнитное поле.

Как говорит Гао, вращающееся магнитное поле – ключ к построению не только наномоторов, но и генераторов.

Пока Гао и его коллеги только приступили к изучению наносистемы, и в перспективе собираются сконструировать электромеханический мотор, используя донорство магнитных атомов. Что касается применения мотора, то ответ очевиден – НЭМС, наноробототехника, микроэлектроника и наноэнергетика.

Напомним, что нанороботы могут собирать электронные компоненты, точно доставлять лекарства и выполнять микрохирургические операции в теле человека. [6]

Одной из разновидностей наномоторов являются молекулярные двигатели, речь о которых пойдет далее.

Молекулярные двигатели - наноразмерные машины, способные осуществлять вращение приприложении к ним энергии. Традиционно термин "молекулярный двигатели" применяется, когда речь заходитоб органических белковых соединениях, однако, в настоящее время его применяют и для обозначениянеорганических молекулярных двигателей и используют в качестве обобщающего понятия. Возможностьсоздания молекулярных моторов впервые была озвучена Ричардом Фейнманом в 1959 году.

Главной особенностью молекулярных роторов являются повторяющиеся однонаправленные вращательныедвижения происходящие при подаче энергии. В дальнейшем это направление получило развитие за счетдвух научных докладов, опубликованных в 1999 году, описывающих природу молекулярных роторов. Однако,в докладах не указывалось причин, за счет которых молекулы были способны генерировать крутящиймомент. Ожидается, что в ближайшее время будет проведено значительное количество исследований вданной области и появится понимание химии и физики наноразмерных роторов.

Обзор методов вращения

Химический метод

Молекулярный двигатель вращения Келли

Впервые о создании молекулярного двигателя вращения сообщил Росс Келли в своей работе в 1999 году ^[2].Его система состояла из трех триптициновых роторов и хелициновой части, и была способна выполнятьоднонаправленные вращения в плоскости 120 °.

Ротация происходит в 5 этапов. Во-первых, аминовая группа на триптициновой части молекулыпреобразуется в изоциановую группу путем конденсации молекул фосгена (a). Вращение вокругцентральной оси осуществляется за счет прохода изоциановой группы в непосредственной близости отгидроксильной группы, расположенной на хелициновой части молекулы (b), благодаря чему эти две группыреагируют между собой (c). Эта реакция создает ловушку для уретановой группы, что увеличивает еенатяжение и обеспечивает начало вращательного движения при достаточном уровне поступающейтермической энергии. После приведения молекулярного ротора в движение, в дальнейшем требуется тольконезначительное количество энергии для осуществления ротационного цикла (d). Наконец, расщеплениеуретановой группы восстанавливает аминовую группу и обеспечивает дальнейшую функциональностьмолекулы (е).

Результатом этой реации является однонаправленнное вращение триптициновой части на 120 ° поотношению к хелициновой части. Дополнительному движению вперед препятствует хелициновая частьмолекулы, которая выполняет роль, аналогичную роли храповика в часовом механизме. Однонаправленноедвижение является результатом ассиметрии хелициновой части, а также появлением уретановой группы (c).Вращение может осуществляться только по часовой стрелке, для проведения процесса вращения в другуюсторону требуется гораздо большие затраты энергии (d).

Двигатель Келли является прекрасным примером того, как химическая энергия может быть использована длясоздания однонаправленного вращательного движения, процесса, который напоминает потребление АТФ(аденозинтрифосфорной кислоты) в живых организмах. Тем не менее, данная модель не лишена серьезныхнедостатков: последовательность событий, которая приводит к вращению на 120 ° не повторяется. ПоэтомуРосс Келли и его коллеги искали различные пути для обеспечения неоднократного повторения этойпоследовательности. К сожалению, попытки достичь цели не увенчались успехом и проект был закрыт ^[3].

Световой метод

Цикл вращения в управляемых светом молекулярныхротационных двигателях Феринги.

В 1999 году из лаборатории доктора Бена Феринги в университете Гронингена (Нидерланды) поступилосообщение о создании однонаправленного молекулярного ротора^[4]. Их молекулярный двигатель вращенияна 360 ° состоит из бис-хелицина соединенного двойной аксиальной связью и имеющий два стереоцентра.

Характеристики

Список файлов реферата