En nm tyk grafenmotor efterligner totaktsmotor

(Phys.org) – Det lyder måske umuligt, at et 1 nm tykt stykke grafen – lavet af kun et enkelt lag kulstofatomer og indeholdende nogle klor- og fluoratomer – kan fungere som en totaktsforbrændingsmotor. Trods alt, på makroskalaen, totaktsmotorer bruges ofte til at drive enheder som motorsave og motorcykler. Selvom nanoskalaversionen også er meget kraftfuld, dets potentielle anvendelser i næste generations nanoenheder ville naturligvis være meget anderledes.

Selvom mikro/nano-motordesign ofte er inspireret af makroskopiske motorer, dette er den første nanoskalamotor, der efterligner en forbrændingsmotor, på trods af den udbredte brug af to- og firetaktsmotorer siden det 19 ^th århundrede.

Forskere Jong Hak Lee, et al., fra Prof. Barbaros Özyilmaz' gruppe ved Graphene Research Center ved National University of Singapore, har udgivet et papir om den lille grafenmotor i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

"Det smukke ved denne tilgang er, at vores motor er meget enkel og praktisk talt ingen biprodukter (udstødning), Vi har heller ikke brug for specifikke arbejdsforhold; Derfor mener vi, at dette er en levedygtig motor til nanomaskiner til forskellige applikationer, " fortalte Lee Phys.org . "I lighed med den i hverdagens køretøjer, en nanomotor eller rotor, som kan generere retningsbestemt bevægelse på nanoskalaen, er essentiel for nanomaskine- eller nanorobotapplikationer. Grafen har været kendt for at have den højeste styrke blandt materialer, hvilket er meget nyttigt til denne applikation. Det er første gang nogen har udforsket grafen til sådanne applikationer. Så, vi håber, at vores arbejde vil inspirere andre grupper til at komme med mange flere potentielle ansøgninger."

Hvorimod i en konventionel totaktsmotor, et stempel bevæger sig op og ned for at generere et højt tryk, i det enkelt-atom-tykke lag af grafen, grafen er selv stemplet. Når en laserstråle bestråler en plet på grafen, det får grafen til at danne en lille kuppellignende blære. Hurtigt at tænde og slukke for laseren får blæren til at stige gentagne gange og blive flad igen, svarende til bevægelsen af ​​et stempel.

En del af grunden til at dette virker er på grund af grafens unikke mekaniske egenskaber, især dens høje elasticitet og styrke. Men for at grafenmotoren skal fungere, forskerne skulle også indsætte klorfluorid (ClF ₃ ) molekyler ind i grafengitteret. ClF ₃ molekyler og kulstofatomer i grafenet holdes sammen af ​​ioniske kulstof-fluorbindinger.

Når de udsættes for laserstrålen, disse bindinger adskilles, hvilket fører til en hurtig stigning i trykket mellem grafenen og dens substrat. Dette tryk er omkring 1 million Pa, hvilket er flere gange højere end gennemsnitstrykket på et bildæk. Det høje tryk fører igen til dannelsen af ​​en blære. Efter at laseren er slukket, ClF ₃ molekyler kemisorberer tilbage på grafenen, ionbindingsreformen, trykket falder, og blæren forsvinder.

Forskerne observerede, at størrelsen af ​​blæren varierer med laserkraften. For eksempel, 0,32 mW lasereffekt resulterer i en blister med en diameter på omkring 550 nm. Over 8,5 mW gentagen cykling, trykket bliver så højt og volumenudvidelsen så stor, at blæren brister.

Forskerne viste, at grafenmotoren viser enestående pålidelighed. Efter 10, 000 cyklusser, motoren fortsætter med at fungere uden forringelse. Grafenmotoren er også meget energieffektiv.

I fremtiden, forskerne vil gerne forbedre motoren ved at udforske belysningsparametre og tænd/sluk-hastighed, samt tilslutte motoren til en målbelastning. De håber også at undersøge dets forskellige potentielle anvendelser.

"Som en simpel anvendelse af denne nanomotor, vi kunne bruge denne svulmende bevægelse af grafen nanomotoren som en pumpe eller ventil til en nanofluidisk applikation, " sagde Lee. "I sidste ende, vores nye motor kan nemt integreres i forskellige applikationer ved at kombinere MEMS- eller NEMS-teknikker for at overføre den genererede kraft til hver af komponenterne. I fremtiden, det kan nemt implanteres i nanorobotter og andre nanomaskiner."

© 2014 Phys.org