Et model mikroskopisk system til at demonstrere transmissionen af drejningsmoment i nærvær af termiske udsving - nødvendigt for at skabe en lille 'kobling', der opererer på nanoskala - er blevet samlet ved University of Bristol, Storbritannien. Dette billede viser funktionsprincippet for 'nanoclutch':røde kugler roterer med uret, og et modsat drejningsmoment påføres en central aksel. Kredit:Dr Paddy Royall, University of Bristol
Et mikroskopisk modelsystem til at demonstrere transmissionen af drejningsmoment i nærvær af termiske udsving - nødvendigt for at skabe en lille 'kobling', der opererer på nanoskala - er blevet samlet på University of Bristol som en del af et internationalt samarbejde.
Når man kører bil, koblingen fører mekanisk det drejningsmoment, der produceres af motoren, til køretøjets chassis - en kobling, der længe har været testet og optimeret i sådanne makroskopiske maskiner, giver os højeffektive motorer. Til mikroskopiske maskiner, imidlertid, Det er meget mere udfordrende at udvikle en kobling, der fungerer på nanoskala, fordi på mikroskopiske længdeskalaer, forskellig fysik skal overvejes. Termiske udsving spiller en stadig mere dominerende rolle, efterhånden som en enhed miniaturiseres, fører til øget spredning af energi og behovet for at udvikle nye designprincipper.
I det mikroskopiske modelsystem udviklet af videnskabsmænd fra Bristol, Düsseldorf, Mainz, Princeton og Santa Barbara, en ring af kolloide partikler er lokaliseret i en optisk pincet og automatisk oversat på en cirkulær bane, overføre en rotationsbevægelse til en samling af identiske kolloider begrænset til det indre område.
Dr. Paddy Royall fra University of Bristol sagde:"Denne enhed ligner meget en vaskemaskine, men dimensionerne er små. Gennem optisk manipulation kan partikelringen klemmes efter ønske, ændring af koblingen mellem de drevne og belastede dele af enheden og giver en koblingslignende driftstilstand."
Kolloide suspensioner falder ind under kategorien af materialer kendt som 'blødt stof', og rotationsanordningens blødhed har vist sig at føre til nye transmissionsfænomener, der ikke observeres i makroskopiske maskiner. "At udnytte nanomaterialernes blødhed giver os yderligere og hidtil usete kontrolmekanismer, som kan bruges, når vi designer mikroskopiske maskiner, " forklarede Dr. Royall.
Ud over eksperimenterne udført ved University of Bristol, fysikere ved universitetet i Düsseldorf har udviklet modelcomputersimuleringer for yderligere at undersøge drejningsmomentkobling på nanoskala. Dette muliggør måling af nanomaskineeffektivitet, som er lille, men kan optimeres gennem omhyggelig kontrol af systemparametrene.
Forskerne har identificeret tre forskellige transmissionsregimer:et solidt-lignende scenario, der overfører drejningsmoment meget som et makroskopisk gear; et væskelignende scenarie, hvor meget af energitilførslen går tabt til friktion og et mellemliggende glidscenario, der er unikt for bløde materialer, som kombinerer aspekter af faststoflignende og væskelignende adfærd.
"En grundlæggende forståelse af koblingsprocessen vil give os indsigt i konstruktionen af nanomaskiner, hvor momentoverførsel er absolut nødvendig, " sagde professor Hartmut Loewen fra universitetet i Düsseldorf.
Undersøgelsen er publiceret i Naturfysik .