Создан нанодвигатель с фотонным питанием

Создан нанодвигатель с фотонным питанием Ученые из университетов Болоньи и Калифорнии создали первый молекулярный двигатель, работающий от солнечного света.

Нанодвигатель разрабатывался более шести лет исследователями из университета Болоньи и Калифорнийского университета. По форме он напоминает гантель длиной 6 нм, на рукоятке которой находится кольцо диаметром 1,3 нм. Кольцо может двигаться вдоль рукоятки, но не может соскользнуть из-за двух ограничителей на концах «гантели». Кольцо занимает один из двух участков на «рукоятке». Когда один из ограничителей поглощает солнечный свет, электрон перемещается к одному из этих участков, что вызывает перемещение кольца к другому участку. Когда электрон перемещается обратно, кольцо возвращается на место, и, таким образом, цикл повторяется много раз. Микромотор размером всего несколько нанометров двигается подобно микроскопическому поршню. «Эти нанодвигатели можно использовать в качестве ячеек памяти в молекулярной фотонике и электронике — двух перспективных направлениях, нацеленных на создание химического компьютера», — говорит доктор Винченцо Бальцани (Vincenzo Balzani) из университета Болоньи.

Наномоторы можно использовать и в качестве клапанов для пор наночастиц на основе кварца. Ученые с помощью световых импульсов управляют открытием и закрытием этих клапанов, регулируя заполнения пор молекулами определенного вида — к примеру, молекулами лекарств для лечения рака, сообщает Physorg. «Когда такие наноконтейнеры достигнут цели, свет может использоваться как переключатель доставки лекарства», — комментирует доктор Дж. Фрейзер Стоддарт (J. Fraser Stoddart) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, соавтор изобретения.

Нанодвигатель работает очень быстро. Полный цикл занимает менее тысячной доли секунды. Как считают авторы изобретения, процесс можно сравнить с работой автомобильного двигателя, совершающего 60 тыс. тактов в минуту. По мнению ученых, примечателен тот факт, что молекулярный двигатель подобного типа не нуждается в химическом топливе. Новый нанодвигатель берет энергию непосредственно из солнечного света, не требует доставки топлива и не производит отходов. Его можно сравнить с солнечным автомобилем. Специалисты едины в своих оценках и считают изобретение нанодвигателя важным этапом на пути к созданию молекулярных машин. В настоящее время исследователи заняты созданием поверхностных покрытий и мембран из подобных нанодвигателей, где все они будут работать согласованно и производить механическую работу на макроуровне.

Топливо для нанороботов

Учеными из Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники обнаружен эффект горения и взрыва в слоях наноструктурированного пористого кремния.

Наноструктурированный пористый кремний, полученный методами электрохимического анодирования, при определенных условиях способен гореть и взрываться, при этом энергетический эффект этих процессов выше, чем у углеводородных материалов. Обнаруженный эффект открывает возможность обеспечения энергией MEMS или NEMS на микроуровне непосредственно внутри полупроводниковой схемы.

Активизация микроисточника энергии может осуществляться электрическим, термическим или механическим сигналом. Интересно, что при толщине слоя пористого кремния меньше 60 мкм наблюдается процесс горения. А при толщине больше 60 мкм происходит взрыв. Размер световой вспышки, наблюдаемый при горении и взрыве пористого кремния, максимален для свежеприготовленных образцов.

Изготовление наноструктурированных кремниевых пленок может быть осуществлено на основе кремниевой технологии, используемой при изготовлении интегральных микросхем, что особенно важно для миниатюрных изделий.

Были изготовлены кремниевые микроактюаторы, способные преодолевать расстояния в несколько метров. Оценочные расчеты показывают, что эффективность преобразования энергии горения в кинетическую энергию достигает 50%. То есть, даже предварительные результаты позволяют говорить о возможности использования процессов горения пористого кремния в микромашинах, изготавливаемых на основе кремниевой технологии.

Более высокая удельная энергия при взрыве открывает принципиально новые возможности для использования пористого кремния. На рис. 3 показаны этапы процесса разделения кремниевой пластины на отдельные чипы при помощи взрыва слоя пористого кремния. По сравнению с традиционными методами лазерного и алмазного разделения кремниевых пластин данный метод имеет ряд преимуществ:

* ширина разделительной дорожки может быть уменьшена до 40 мкм; * при помощи этого метода можно вырезать кремниевые кристаллы любой формы, в том числе и круглые и овальные, так как линия разреза формируется при помощи операций фотолитографии.

К другим возможным практическим применениям процесса взрыва пористого кремния следует отнести изготовление самоуничтожающихся кремниевых чипов, а также экологически безопасных пиротехнических схем.

Следует отметить, что наноструктурированный кремний является энергоносителем, альтернативным углеводородным видам топлива. В частности, кремень, использовавшийся в древности как источник огня, есть не что иное, как наноструктурированное минеральное образование из кварца и халцедона. Минерал халцедон отличается от кварца нестехиометричностью состава – повышенным массовым содержанием водорода, т.е. этот минерал является “недоокисленным” по сравнению с кварцем, что и объясняет его необычные свойства, позволяющие его микрочастицам воспламеняться после механического воздействия.

Приложение

Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах: Электростатические эффекты разделения зарядов в нанокомпозитах металл (рутений) – оксид (Li2O), J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)

Новые эффекты, возникающие в нанокомпозитах:поведение «ионной жидкости» («шарики» и «ионы»), распределенной в прочной нанопористой непроводящей матрице (обозначено зеленым цветом). (J.Maier, Nature materials, vol.4, 2005)

Различные формы MnO2 для марганец-цинковых батареек (Journal of Solid State Chemistry 179 (2006) 1757–1761)

Уникальные нанотрубки на основе MnO2 для химических источников тока (Adv. Mater. 2005, 17, 2753–2756).

Нанотрубки пентаксида ванадия, полученные гидротермальным методом (Факультет Наук о Материалах МГУ)

Аккумуляторная батарейка фирмы Toshiba, содержащая наночастицы.

Частицы диоксида титана TiO2 различного размера для использования в литий-ионных аккумуляторах нового поколения (Adv. Mater. 2006, 18, 1421–1426).

Аккумулятор Nanosafe, содержащий наночастицы диоксида титана.

Нанопористая структура композита «LiFePO4 - углерод» (Solid State Ionics 176 (2005) 1801 – 1805).

Кристаллическая структура минерала оливина.

Интеркаляция лития в структуру фосфата железа.

Модель американского Белого Дома, «напечатанная» с помощью технологии трехмерной струйной печати с использованием чернил, содержащих высокодисперсные частицы.