Проекты наномоторов

        Дальнейшее развитие нанотехнологий и НЭМС невозможно без эффективных наноразмерных двигателей. Сегодня разработано и продолжает разрабатываться огромное количество различных проектов нанодвигателей, которые также называют наноактюаторами. Рассмотрим некоторые из них.

Рис 128. Вращение ___

субъединицы при гидролизе АТФ

* Перепечатано с http://domino.research.ibm.com

        АТФаза – это природный фермент, который можно найти практически в любом организме. Ферменты служат для расщепления белков, жиров, углеродов. АТФаза состоит из двух отдельных частей: гидрофобной (водоотталкивающей) и гидрофильной (водопритягивающей)

части, ответственной за синтез и гидролиз АТФ. В процессе синтеза/гидролиза АТФ происходит вращение центральной субъединицы. Хотя еще не до конца известна природа этого вращения, но по сути это готовый биологический наномотор!

 

Электростатические наноактюаторы

        Исследователи из США создали модель вращательного наноактюатора, использующего лазер как источник энергии. Наномотор состоит из двух концентрических графитовых цилиндров (наподобие двух нанотрубок, одна из которых расположена внутри другой): ротора и статора. При этом к ротору диаметрально противоположно присоединены два электрических заряда. Движение производится благодаря переменному излучению двух лазеров.

 

Наноактюатор на основе молекулы ДНК

Этот актюатор изготовлен из молекулы ДНК, к одному концу которой прикреплена светоизлучающая органическая молекула, а к другому-светопоглощающая. Когда цепь ДНК выпрямляется, излучающая и поглощающая молекулы разделяются и система излучает свет, и наоборот. Исследователи пытаются использовать в качестве нанодвигателей молекулы актина

и кинезина – основные двигательные молекулы живых организмов. Следующая стадия – модель саркомера (единицы мышечной структуры).

 

Проект диэлектрофорезного наномотора

        Здесь используется притягивание или отталкивание частиц от электродов в сильном неоднородном электростатическом поле. В Калифорнийском университете были проведены эксперименты по перемещению нанотрубок и молекул ДНК посредством диэлектрофореза в водных растворах. Электроды были сделаны из нанотрубок. Промежуток между электродами составлял 10 нм, подаваемое напряжение – 1 В. На концах электродов образовалось сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее частицы. Нанотрубки-электроды образу

ют статор, наночастицы в центре – ротор. Если подавать наэлектроды переменное напряжение, наночастица будет вращаться, причем ее положение напрямую зависит от величины напряжения, подводимого к электродам.

Рис 130. Диэлектрофорезный наномотор

 

Наномотор на эффекте поверхностного натяжения

        Физики из США построили первый наноэлектромеханический актюатор, который использует эффекты поверхностного натяжения. Он состоит из двух капель жидкого металла на поверхнос-ти углеродных нанотрубок и приводится в движение слабым электромагнитным полем. Алекс Зеттл считает, что новый наномотор послужит приводным устройством для различных НЭМС.

Поверхностное натяжение играет большую роль в наноразмерном диапазоне. Уже в микронных масштабах оно играет доминирующую роль, по сравению с другими силами. Вот почему,

например, некоторые насекомые могут ходить по поверхности воды. Слабое электромагнитное поле может изменять поверхностное натяжение капель жидкости, и это применяется в таких устройствах, как струйные принтеры. Но до сих пор эту силу не рассматривали в качестве движущей.

Рис 131. Наномотор на основе

поверхностного натяжения

        Актюатор состоит из “большой” капли жидкого индия диаметром 90 нм и “маленькой” диаметром 30 нм. Электрический ток, протекающий по нанотрубке, вызывает миграцию отдельных атомов капель вдоль нанотрубки от капли I к капле II (направление показано малень-кой стрелкой). Радиус маленькой капли II увеличивается быстрее, чем уменьшается радиус капли I. Процесс длится до тех пор, пока капли не соприкасаются друг с другом. Силы поверхностного натяжения заставляют капли поменяться местами, используя созданный касанием гидродинамический канал. Затем цикл повторяется. Частота перемещения капель зависит от величины постоянного напряжения, приложенного к нанотрубке. В работающем наномоторе цикл обмена каплями протекает за 200 пикосекунд при напряжении в 1.3 В.

 

Наномотор на основе нанотрубок и золотых электродов

        В университете Беркли (Калифорния) сконструирован действующий электростатический

наномотор размером в 500 нм. Ротор мотора изготовлен из золота и закреплен на многослойной нанотрубке.Две нанотрубки, вставленные меньшая в большую, образуют подшипник. Толщина ротора – 5_10 нм. Два заряженных статора, также изготовленных из золота, расположены на кремниевой поверхности.Примерная скорость вращения такого наномотора около 30 оборотов в секунду.

Рис 132. Наномотор на основе

золотых электродов и нанотрубок

 

Ротор на основе нанотрубки

        Корейский университет планирует в течение 7 лет создать насос и актюатор на основе вложенных нанотрубок. При вращении одной нанотрубки внутри другой сила трения ничтожно мала, а трение на поверхности нанотрубки в газовом потоке велико. Используя разницу в силах трения, можно заставить вращаться внешнюю нанотрубку, воздействуя на нее газом. Если внутренний слой многослойной нанотрубки провернуть, она возвращается в прежнее положение благодаря электростатике. При этом она движется маятникообразно с частотой несколько МГц, что позволит сделать насос, нагнетающий в другую нанотрубку газ, заставляя ее вращаться.

ис 133. Нанотрубочный ротор

 

Туннельный электростатический наномотор Дрекслера

        Этот проект описан в книге Дрекслера “Наносистемы”. Мотор состоит из двух электродов статора: положительного и отрицательного, и диэлектрического ротора, в который вклю_

чен ряд нанопроводников_электродов. Электроды статора имеют две различные поверхности: с

высокой и низкой работой выхода электродов. При подаче напряжения на электроды статора нанопроводники ротора заряжаются через туннельные промежутки, причем неодинаково из-за

разной работы выхода электронов с поверхностей. Взаимодействие неоднородного распреде-ленного по ротору заряда с электрическим полем статора вызывает вращение наномотора.

 

Рис 144 Туннельный электростатическийо наномотор

 

        Для мотора диаметром 25 нм Дрекслер рассчитал следующие характеристики: напряжение питания 10В, ток статора 110нА, скорость ротора 1000 м/с. При этом наномотор потреблял бы мощность около 1,1мВт. Плотность мощности составляла бы величину, больше чем 1015 Вт/м3, что сравнимо с плотностью мощности макроскопических электромоторов.

        В заключение этой главы отметим, что сегодня темпы роста мировых продаж изделий MEMS ежегодно удваиваются, что ставит эту отрасль в один ряд с так называемыми “критическими”

технологиями, определяющими уровень развития экономики.

 

Итак, повторим еще раз!

_ Стремительный прогресс науки и техники во второй половине ХХ века во многом объясняется созданием и совершенствованием полупроводниковых транзисторов _ основы современной электроники.

_ В зависимости от способности пропускать ток все вещества делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

_ Характерной чертой полупроводников является их зависимость от внешних воздействий. Целенаправленно меняя температуру полупроводникового кристалла или внося в него примеси, можно эффективно управлять его физическими свойствами, в том числе и электропроводностью.

_ Электропроводность полупроводников бывает двух типов:

Собственная – возникает при нагревании вещества. Тепловое движение разрывает межатомные связи, образуя "дырки",которые вызывают движение электронов, стремящихся заполнить разорванные связи. Ток идет пока дырки и электроны не

рекомбинируют. Собственный полупроводник имеет равные концентрации электронов и дырок (n=p).

Примесная – объясняется наличием в полупроводнике примесей с лишними (донорные), или недостающими (акцепторные) электронами. Полупроводник с донорной примесью

относится к n*типу (n>p), а с акцепторной _ к p*типу (n<p).

_ Полупроводниковые приборы основаны на электронно-дырочных переходах. P*n переход – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. На p_n переходах построены диоды и транзисторы.

_ Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов, оперирующих электрическими импульсами, символизирующими нулями и единицы. Cоединяя несколько транзисторов,

можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", "НЕ" и другие.

_ Интегральная микросхема (ИС) – это система микроскопических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. Другое популярное название микросхемы _ микрочип..

_ Микросхемы представляют собой плоские пластины, поэтому технология их создания называется планарной. Ее основу составляет литография - способ формирования заданного рисунка (рельефа) в слое полупроводника.

_ Процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов: очистка, оксидирование, литография, травление, диффузия, осаждение и металлизация.

_ Долгое время основными материалами микроэлектроники считались кремний, служащийосновой для создания ИС, и медь, используемая в качестве токопроводящих дорожек и контактов. Однако в последнее время все большую популярность завоевыва-ют так называемые проводящие полимеры, открытые в конце ХХ века. Благодаря дешевизне производства такие полимеры находят все больше применений в электро-нике.

_ Чем больше транзисторов можно поместить на единице площади, тем выше быстро-действие компьютера. Поэтому для дальнейшего развития микропроцессорной техники неизбежен переход к наноэлектронике, МЭМС, и НЭМС.

_ МЭМС (микроэлектромеханические систеы) представляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: моторы, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целыеаналитические микролаборатории, выполненные на единой кремниевой подложке. Размеры таких устройств могут быть меньше спичечной головки.

_ МЭМС находят большую область приложений. В частности, на их основе создаются такие уникальные устройства,как "электронный нос", "электронный язык", "умная пыль",

"видеоочки" и множество других.

_ Дальнейшее развитие нанотехнологий, МЭМС и НЭМС-устройств невозможно без эффективных наноразмерных двигателей. В настоящее время разрабатываться большое

количество как молекулярных, так и механических различных проектов наномоторов (наноактюаторов).