Содержание

1 Наногенераторы……………………………………………………………………………………..3

Спиновый наногенератор………………………………………………………………………….....3

Генераторы, работающие за счет пьезоэлектрического эффекта……………………………….....5

Новые пьезоэлектрические наногенераторы для самозаряжаемых персональных электронных устройств...8

Наномоторы………………………………………………………………………………………….10

Самый маленький и быстрый наномотор………………………………………………………….10

Наномотор для нанороботов………………………………………………………………………..12

Молекулярные двигатели…………………………………………………………………………...13

Химический метод вращения……………………………………………………………………….14

Световой метод вращения…………………………………………………………………………..15

Вращение через туннелирование электронов……………………………………………………..17

Наномоторы, работающие на желудочном соке…………………………………………………..18

Физики собрали электрический "наномотор" из одной молекулы………………………………19

Наномоторы, работающие в живой клетке……………………………………………………….21

Наномеханизмы……………………………………………………………………………………..23

Универсальные самособирающиеся механизмы…………………………………………………23

"Обручальные кольца" из цепочек ДНК………………………………………………………….24

Биомолекулярные штекеры для переноса электронов…………………………………………..26

Список источников информации…………………………………………………………………27

1 Наногенераторы

Спиновый наногенератор

Рассмотрим описание такого прибора с точки зрения теоретиков и практиков.

Описание наногенератора, взятое из статьи нижегородских исследователей К.Н. Алешина, К.Г. Мишагина, В.В. Матросова «Перестройка фазы в цепочке взаимосинхронизированных спиновых наногенераторов» [1]:

«Спиновые наногенераторы в силу своих частотных характеристик и малого размера являются весьма привлекательными для многих приложений. Однако, малая мощность излучения таких генераторов приводит к постановке задачи о синхронизации нескольких спиновых наногенераторов для когерентного сложения их мощностей.

Под термином спиновый наногенератор будем понимать структуру, составленную из двух тонких ферромагнитных слоѐв, разделѐнных слоем немагнитного материала толщиной, много меньшей длины спиновой релаксации. Примером такой структуры может служить мультислой из двух слоев пермаллоя толщиной 4 нм, разделѐнных медным слоем толщиной 8 нм.

Подобные структуры обладают рядом примечательных особенностей, среди которых присутствуют как положительные, так и отрицательные характеристики. Одним из наиболее привлекательных параметров является диапазон рабочих частот – от единиц гигагерца до сотен гигагерц и выше. Сила электрического тока и рабочее напряжение, требующиеся для нормального функционирования устройства, находятся в пределах нескольких единиц миллиампер и десятых долей вольта соответственно. Поперечный размер наногенератора обычно не превышает ста нанометров. Отрицательными с точки зрения применения устройства характеристиками являются малая выходная мощность порядка одного нановатта и высокий уровень фазовых шумов.

Для преодоления трудностей, вызванных указанными выше недостатками, можно предложить объединение подобных генераторов в цепочки и решѐтки для их взаимной синхронизации и фазирования.

Одним из вариантов связи наногенераторов является связь посредством спиновых волн при условии размещения генераторов на общей многослойной структуре. Из других методов связи, например через общий электрический ток или внешнее высокочастотное магнитное поле, метод связи через спиновые волны выделяется в первую очередь удобством и простотой компактного размещения наногенераторов на общей многослойной структуре.»

Теперь рассмотрим, как описывает это устройство Глеб Демин, генеральный директор компании «Спинэкст», г. Зеленоград, которая разрабатывает спиновый наногенератор [2]:

«Спиновый наногенератор — это устройство, которое вырабатывает высокочастотные гигагерцовые осцилляции входящего сигнала. Кварцевые генераторы, которые сейчас используются для постройки тактовой частоты и передачи сигнала в мобильных устройствах сейчас, достаточно большие по размеру — микронные. И скорость их не достигает хорошего уровня — ведь сейчас технологии развиваются и возникают наносекундные диапазоны различных устройств. Поэтому такие устройства требует дальнейшего совершенствования. Появление спинового наногенератора как раз является тенденцией к улучшению. Фактически после введения наногенератора взамен кварцевого генератора предполагается уменьшение мобильного устройства (например, телефона) до очень маленьких размеров.

И вторая составляющая этого бизнес-проекта очень интересная: большой диапазон частот, в котором работает наногенератор — от половины гигагерца до нескольких десятков гигагерц — позволяет работать в различных стандартах, включая GPRS, Wi-Fi, для передачи потоков аудио и видео. Поэтому спиновый наногенератор можно будет использовать в различных высокопроизводительных мультимедийных приложениях. Это маленькое устройство соответствует современной тенденции — развитию мультимедийных систем, которые включают интернет, передачу информации по Wi-Fi, GPS-спутник и так далее — всё это можно реализовать одним устройством».

Научные работы в области спиновых наногенераторов также ведутся в Гренобле, Франция, в Окленде, США, в Японии.

Приведем изображения спинового наногенератора – рисунок 1 – с сайта компании «Спинэкст», на рисунке 2 представлена фотография готового спинового наногенератора для сравнения его размера с ручкой.

Рисунок 1 – Спиновый наногенератор

Рисунок 2 – Спиновый наногенератор – сравнительные размеры

Наногенераторы, работающие за счет пьезоэлектрического эффекта

Ниже приведена статья, в которой рассказано о генераторе Чжун Лин Вана, на который приведено множество ссылок в интернете, и который на самом деле может вскоре стать устройством, ежедневно используемым многими людьми.

Мигание цифр на жидкокристаллическом дисплее (LCD), как правило, указывает на необходимость сбросить временные настройки устройства. Но в лаборатории Чжун Лин Ван в Georgia Tech мигающие на небольшом ЖК-дисплее цифры символизируют успех, увенчавший пятилетние попытки запитать мелкие электронные устройства от наногенераторов, «собирающих» механическую энергию из окружающей среды с помощью решетки из нанопроводов.

В данном случае механическая энергия производится в результате сжатия наногенератора двумя пальцами, но с тем же успехом это может быть биение сердца, топот ботинок по горной тропе, шуршание рубашки или вибрация тяжелого станка. Хотя наногенераторы никогда не смогут производить количество электроэнергии достаточно большое для обычных нужд, ее будет вполне достаточно для питания наноразмерных и микромасштабных устройств – даже для зарядки кардиостимуляторов или iPod плееров.

Наногенераторы Вана работают за счет пьезоэлектрического эффекта, характерного для некоторых кристаллических материалов (в том числе оксида цинка) – то есть за счет появления в материале потенциала электрического заряда при сгибании или сжатии выполненных из него конструкций. Путем сбора и объединения зарядов миллионов наноразмерных проводков из оксида цинка Ван и его исследовательская группа могут получить напряжение до трех вольт – и силу тока в 300 наноампер.

«В результате упрощения конструкции, придания ей большей надежности и включении в схему большего количества нанопроводов мы успешно повысили производительность нашего наногенератора, которой теперь достаточно для питания таких устройств, как коммерческие жидкокристаллические дисплеи, светодиоды и лазерные диоды», – с гордостью заявил профессор Ван, член правления Школы материаловедения и инженерии Технологического института Джорджии. – «Если нам удастся и в дальнейшем поддерживать тот же темп усовершенствования, вскоре мы сможем на практике применять наногенераторы в медицинских устройствах, персональной электронике или средствах мониторинга окружающей среды».

Последние усовершенствования наногенераторов, включая более простой способ их производства, были представлены онлайн в журнале Nano Letters в первых числах ноября 2010 года. Более ранние отчеты в том же журнале и в Nature Communications сообщали о других достижениях этой научной разработки, проходящей при поддержке Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ (DARPA), Министерства энергетики США, ВВС США и Национального научного фонда.

В самых ранних прототипах наногенераторов из оксида цинка использовалась решетка нанопроводов, выращенная (как лес, столбиками высотой 200-500 и диаметром 20-40 нанометров) на жесткой подложке с металлическим электродом сверху. В более поздних версиях оба конца нанопроводов погружали в полимер, энергия производилась простым сгибанием этой конструкции. Вне зависимости от конфигурации устройств они требовали тщательного выращивания решетки нанопроводников и кропотливой сборки.

В последней работе Ван и члены его группы Юфан Ху, Чжан Янь, Чэнь Сюй, Гуан Чжу и Зетанг Ли сообщили о гораздо более простом технологическом решении этой задачи. Во-первых, они вырастили решетки из нового типа нанопроводов конической формы. Эти провода были вырезаны из растящей их подложки и помещены в спиртовой раствор. Затем раствору с содержанием нанопроводов дали стечь на тонкий металлический электрод и лист гибкой полимерной пленки. После высыхания спирта был создан новый слой. По мнению Вана, такой процесс создания композита из нескольких слоев нанопроволоки/полимера сможет быть расширен до уровня промышленного производства.

При сгибании эти «бутерброды» из нанопроволоки размером 2 на 1,5 сантиметров производят достаточно электроэнергии для питания обыкновенного дисплея, заимствованного из карманного калькулятора.

По словам Вана, наногенераторы в настоящее время близки к тому, чтобы производить достаточный ток для автономного питания системы мониторинга окружающей среды на предмет наличия, к примеру, токсичных газов, и передачи ею предупреждения. В систему могли бы входить конденсаторы, способные аккумулировать малые заряды до тех пор, пока энергии не стало бы достаточно для отправки пакета данных.

Хотя производительность наногенераторов все еще остается ниже уровня, необходимого для зарядки устройств типа iPod или кардиостимуляторов, Ван полагает, что эти уровни будут достигнуты в течение ближайших трех-пяти лет. Мощность представленного сегодня наногенератора, отмечает он, превышает возможности разработанного его группой год назад почти в 100 раз.

В отдельной статье, опубликованной в октябре в журнале Nature Communications члены группы Шэн Сю, Бенджамин Дж. Хансен и Ван сообщили о новой методике изготовления пьезоэлектрических нанопроводов из цирконата-титаната свинца – также известного как ЦТС. Материал уже используется в промышленности, однако выращивание его сопряжено с некоторыми трудностями, так как требует поддержания температуры порядка 650 градусов Цельсия. Команда же Вана для выращивания монокристальных вертикальных решеток нанопроводов использовала процесс, известный как гидротермальное разложение, необходимая температура для прохождения которого составляет лишь 230 градусов Цельсия. От ЦТС наногенераторов ученые смогли запитать лазерный диод, продемонстрировав таким образом еще одну, хотя и менее эффективную, альтернативу наногенераторам из оксида цинка.

В еще одной статье, опубликованной в Nano Letters, Ван, Гуан Чжу, Русен Янга и Сихон Ван сообщили о еще одном способе повышения продуктивности наногенератора. Их подход, названный «масштабируемой развертывающей печатью», включает в себя два этапа: (1) перемещение вертикально выстроенных нанопроводов из оксида цинка на приемную подложку для формирования горизонтальных решеток; (2) применение параллельных ленточных электродов для объединения всех нанопроволок. В результате использования единственного слоя этой структуры исследователи смогли получить напряжение разомкнутой цепи в 2,03 вольт и пиковую плотность выходной мощности около 11 мВт/см3.

“ С момента начала разработок в 2005 году мы смогли значительно улучшить показатели выходной мощности наногенераторов»,– отметил Ван. – «Это уже почти то, что нужно. Я убежден, что если мы сможем оперировать этими мелкими деталями, то и зарядка малых систем наногенераторами в ближайшем будущем станет реальностью. Я надеюсь увидеть практическое применение наших разработок уже в ближайшие пять лет». [3]