Metamaterialer kan reducere friktionen i nanomaskiner

(PhysOrg.com) - Nanoskala -maskiner, der forventes at have bred anvendelse i industrien, energi, medicin og andre områder kan en dag fungere langt mere effektivt takket være vigtige teoretiske opdagelser vedrørende manipulation af berømte Casimir-styrker, der fandt sted ved det amerikanske energiministeriums Ames Laboratory.

Den banebrydende forskning, udført gennem matematiske simuleringer, afsløret muligheden for en ny klasse af materialer, der er i stand til at udøve en frastødende kraft, når de er placeret ekstremt tæt på hinanden. Den frastødende kraft, som udnytter et kvantefænomen kendt som Casimir-effekten, kan en dag tillade maskiner i nanoskala at overvinde mekanisk friktion.

Selvom friktionskræfterne i nanoskalamiljøer er små, de hæmmer væsentligt funktionen af ​​de bittesmå enheder designet til at fungere i det område, forklarede Costas Soukoulis, seniorfysiker ved Ames Lab og fremtrædende professor i fysik ved Iowa State University, der ledede forskningsindsatsen.

Soukoulis og hans holdkammerater, herunder Ames Laboratory assistentforsker Thomas Koschny, var de første til at studere brugen af ​​eksotiske materialer kendt som chirale metamaterialer som en måde at udnytte Casimir-effekten på. Deres indsats har vist, at det faktisk er muligt at manipulere Casimir-styrken. Resultaterne blev offentliggjort i 4. september, 2009 udgave af Fysiske anmeldelsesbreve , i en artikel med titlen, "Frastødende Casimir Force i chirale metamaterialer."

At forstå vigtigheden af ​​deres opdagelse kræver en grundlæggende forståelse af både Casimir-effekten og den unikke natur af chirale metamaterialer.

Casimir-effekten blev opkaldt efter den hollandske fysiker Hendrik Casimir, som postulerede dets eksistens i 1948. Ved hjælp af kvanteteori, Casimir forudsagde, at energi skulle eksistere selv i et vakuum, som kan give anledning til kræfter, der virker på de kroppe, der bringes i umiddelbar nærhed af hinanden. For det simple tilfælde med to parallelle plader, han postulerede, at energitætheden inde i mellemrummet skulle falde, efterhånden som størrelsen af ​​mellemrummet falder, betyder også, at der skal arbejdes på at trække pladerne fra hinanden. Alternativt en tiltrækningskraft, der presser pladerne tættere sammen, kan siges at eksistere.

Casimir-kræfter observeret eksperimentelt i naturen har næsten altid været attraktive og har gjort maskiner i nanoskala og mikroskala ubrugelige ved at få deres bevægelige dele til at holde permanent sammen. Dette har været et mangeårigt problem, som forskere, der arbejder på sådanne enheder, har kæmpet for at overvinde.

Bemærkelsesværdigt, denne nye opdagelse viser, at en frastødende Casimir-effekt er mulig ved brug af chirale metamaterialer. Chirale materialer deler en interessant egenskab:deres molekylære struktur forhindrer dem i at blive overlejret over en omvendt kopi af dem selv, på samme måde kan en menneskehånd ikke passe perfekt oven på et omvendt billede af sig selv. Chirale materialer er ret almindelige i naturen. Sukkermolekylet (saccharose) er et eksempel. Imidlertid, naturlige chirale materialer er ude af stand til at producere en frastødende Casimir-effekt, der er stærk nok til at være praktisk anvendelig.

Af den grund, gruppen rettede sin opmærksomhed mod chirale metamaterialer, så navngivet, fordi de ikke findes i naturen og i stedet skal laves i laboratoriet. Det faktum, at de er kunstige, giver dem en unik fordel, kommenterede Koschny. "Med naturlige materialer skal du tage, hvad naturen giver dig; med metamaterialer, du kan skabe et materiale, der nøjagtigt opfylder dine krav, " han sagde.

De chirale metamaterialer, som forskerne fokuserede på, har en unik geometrisk struktur, der satte dem i stand til at ændre karakteren af ​​energibølger, såsom dem, der er placeret i mellemrummet mellem de to tæt placerede plader, hvilket får disse bølger til at udøve en frastødende Casimir-kraft.

Denne undersøgelse blev udført ved hjælp af matematiske simuleringer på grund af vanskelighederne ved at fremstille disse materialer med halvlederlitografiske teknikker. Mens der skal gøres mere arbejde for at afgøre, om chirale materialer kan fremkalde en frastødende Casimir-kraft, der er stærk nok til at overvinde friktion i enheder i nanoskala, praktiske anvendelser af Casimir-effekten er allerede under nærmere undersøgelse på andre DOE-faciliteter, herunder Los Alamos og Sandia nationale laboratorier. Begge har udtrykt stor interesse for at bruge de chirale metamaterialer designet på Ames Laboratory til at fremstille nye strukturer og reducere den attraktive Casimir-kraft, og muligvis for at opnå en frastødende Casimir -styrke.

Kilde:Ames Laboratory (nyheder:web)