Lille batteri er også en nanomotor

(PhysOrg.com) -- Måler kun 3,6 mikrometer lang, et af de mindste batterier, der nogensinde er fremstillet, vil ikke forsyne vores elektroniske enheder med strøm snart, men den fungerer som en selvdrevet nanomotor, der er overraskende hurtig og effektiv. Ultimativt, den nanobatteri-baserede motor kunne bruges som en nanomaskine og til at transportere last til biomedicinske applikationer.

Forskerne, Dr. Ran Liu og Prof. Ayusman Sen fra Institut for Kemi ved Pennsylvania State University, har offentliggjort deres undersøgelse af den nanobatteribaserede motor i et nyligt nummer af Journal of the American Chemical Society ASAP.

Nanobatteriet består af en enkelt nanotråd med en 3 mikrometer lang kobberende og en 600 nanometer lang platinende. Når nanobatteriet placeres i en fortyndet opløsning af oxidant (såsom brom eller jod), kobberenden tjener som anoden og oxideres, mens platinenden fungerer som katoden. Når nanobatteriet aflades i opløsningen, elektroforese-fænomenet starter, så det elektriske felt, der genereres af batteriets redoxreaktioner, får batteriet til at bevæge sig.

"Den videnskabelige kerne i denne opdagelse er, at et kortsluttet nanobatteri (f.eks. kobber-platin segmenteret nanorod) kan flyttes ved selvelektroforese som følge af oxidation og reduktion, henholdsvis, ved de to metaller, ” fortalte Liu PhysOrg.com . "Den genererede strøm kan konverteres direkte til mekanisk kraft."

Dette selvelektroforese-fænomen driver enheden til hastigheder på mere end 10 mikron (tre gange dens længde) i sekundet. Det svarer nogenlunde til en 5 meter (16 fod) motorbåd, der bevæger sig med 54 kilometer i timen (33,5 miles i timen) gennem vandet.

"I dette tilfælde, retningen af ​​nanomotorens bevægelse er tilfældig på lange tidsskalaer, " sagde Liu. »Det kan potentielt kontrolleres. For eksempel, hvis vi inkorporerer et magnetisk metalsegment i nanobatteriet, vi kan styre dens bevægelsesretning ved hjælp af magnetfelt."

Nanomotoren kører kontinuerligt, indtil kobbersegmentet er fuldstændigt oxideret af brom eller omdannet til kobberiodid af iod. Dens levetid, derfor, afhænger både af længden af ​​kobbersegmentet og koncentrationen af ​​oxidationsmidlet. I deres eksperimenter, forskerne observerede nanobatterilevetider på mellem 40 sekunder og 1 minut ved at ændre disse variabler. (Længden af ​​kobbersegmentet kan styres af dets elektroaflejringstid under fremstillingen.) Forskerne fandt ud af, at nanomotorens hastighed også afhænger af længden af ​​kobbersegmentet, hvor et kortere kobbersegment giver en højere hastighed men nedsat levetid.

Ud over, forskerne viste, at de kun kunne få nanomotoren til at fungere som en rotor af kobber ved at polere den ene side, hvilket får den til at blive deformeret til en "skralde"-form. Denne asymmetriske nanorod kunne rotere ved ekstremt hurtige hastigheder på omkring 170 rpm i brom. Forskerne forklarede, at den asymmetriske form genererer et drejningsmoment (eller drejning), der får stangen til at rotere.

Den nye nanomotor har nogle fordele i forhold til andre selvdrevne nanomotorer. For eksempel, forskerne byggede tidligere en guld-platin nanomotor, der brugte brintoverilte som brændstof. Imidlertid, denne nanomotor producerede iltbobler, der gjorde det vanskeligt at studere og havde en lavere effektivitet end den nye kobber-platin nanomotor. Forskerne tilskriver den nye nanomotors forbedrede effektivitet til dens elektrolytbrændstof, alt eller det meste bruges til at generere en strøm, der derefter direkte omdannes til mekanisk kraft. I modsætning, det meste af guld-platin nanomotorens brændstof spildes i platinenden og bruges ikke til at generere strøm.

"Vores undersøgelse bekræfter almenheden af ​​selvelektroforese som en mekanisme for mikro/nanomotorisk bevægelse og antyder, at praktisk talt enhver redoxreaktion, der forekommer asymmetrisk på en passende mikro/nanostruktur, kan anvendes i design af selvdrevne systemer, " sagde Liu.

Ved at demonstrere, at selvelektroforese af et nanobatteri kan give fremdrift for at gøre det muligt for nanobatteriet at fungere som en nanomotor, forskerne håber, at de nuværende resultater fører til fremtidige nanomotorer med et lignende design, men som bruger forskellige materialer. For eksempel, andre metalpar kunne bruges, og forskellige anvendelser kunne undersøges.

"I princippet nanomotorerne kan bruges til aktivt at transportere og levere last, såsom stoffer, etc., " sagde Liu. "I fremtiden vil vi skal finde mere miljøvenlige, og især biokompatibel, brændstofsystemer. En anden tilbageværende udfordring er designet af bevægelige mikro/nanobatterier, der kan genoplades og bruges gentagne gange."

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omdistribueret helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.