Roterende nanorørmotorer giver et glimt af fremtidige nanoenheder

Som en af ​​de enkleste og mindste af alle motorer, et dobbeltvægget carbon nanorør (DWCNT) med et roterende indre rør og fast ydre rør kan en dag spille en stor rolle i en række fremtidige nanoenheder. I en ny undersøgelse, forskere har studeret inderrørets rotationsadfærd af en DWCNT-motor, hvis bevægelse er induceret af en relativt høj ensartet temperatur.

Forskerne, K. Cai, et al., ved Northwest A&F University i Yangling, Kina, og Australian National University i Acton, Australien, har offentliggjort deres papir om DWCNT roterende motorer i et nyligt nummer af Nanoteknologi .

Som forskerne forklarer, DWCNT'er har potentialet til at fungere som effektive motorer på grund af deres kombination af to vigtige egenskaber:den store styrke af hvert enkelt rør på grund af dets stærke kovalente bindinger, og den svage interaktion mellem de to tilstødende rør på grund af frastødende van der Waals-interaktioner.

Som tidligere forskning har vist, det indre rør kan bevæge sig inde i det ydre rør ved enten rotations- eller translationsbevægelse (fremad og bagud). Tit, disse to typer bevægelse kombineres, så røret følger en spiralformet bane. Det indre rørs specifikke bevægelsesspor bestemmes af dets atomare interaktion med det ydre rør. Tidligere undersøgelser har afsløret forskellige bevægelsesrelaterede fænomener af DWCNT'er på nanoskala, såsom forsvindende lille friktion og en drivkraft, der er proportional med temperaturgradienter.

I den nye undersøgelse, forskerne har vist i simuleringer, at rotation i en DWCNT-motor kan induceres af en gradientløs, ensartet temperatur. Ved cirka stuetemperatur (300 K), det indre rør mister sin geometriske symmetri, får den til at rotere. Forskerne undersøgte tre faktorer, der påvirker rotationen af ​​de indre rør:miljøtemperaturen, længden af ​​den faste del af det ydre rør, og mellemrørsgabet.

Ved hjælp af simuleringer af molekylær dynamik, forskerne fandt ud af, at det indre rørs rotationsfrekvens stiger ved en temperatur på 300 K sammenlignet med lavere temperaturer, da det indre rør får højere kinetisk energi. Rotationsfrekvensen stiger også, når den fulde længde af det ydre rør er fikseret, fordi dette skaber højere drejningsmoment på inderrøret. Og endelig, rotationsfrekvensen stiger, når mellemrørsgabet er tæt på en kritisk afstand mellem to grafenplader, i dette tilfælde 0,335 nm. Når afstanden er mindre end dette, friktionen mellem rørene øges, og når afstanden er større, der er svagere interaktion mellem rørene, hvilket mindsker rotationsbevægelsen.

Med videre arbejde, en gradientløs, temperaturdrevet roterende motor lavet af en DWCNT kan have brede anvendelser i den næste generation af nanoelektromekaniske systemer (NEMS).

"Sammenlignet med enhver anden nanomotor, f.eks., elektriske motorer og fluidgasdrevne motorer, termiske DWCNT-motorer er enklere, mindre og nemmere at betjene, " fortalte Cai Phys.org . "I særdeleshed, rotationsfrekvensen af ​​det indre rør er bred, som kunne bruges til meddelelsesoverførsel i elektromagnetiske nanoenheder, såsom kontakter, minder, etc."

I fremtiden, forskerne planlægger at foretage yderligere forbedringer af motoren.

"En robust DWCNT-motor bør designes, " sagde Cai. "F.eks. nanostrukturen skal være stabil, rotationstilstanden skal kunne justeres med høj nøjagtighed og med måling af det lokale elektromagnetiske felt."

© 2014 Phys.org