Крошечные моторы делают большой шаг вперед
В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале ACS Nano, учёные из Инженерной школы Кокрелла при Техасском университете в Остине создали первый в мире твердотельный оптический нанодвигатель. Все предыдущие версии этих легких двигателей основаны на каком-то решении, которое сдерживало их потенциал для большинства реальных приложений.
Графическая абстракция. Предоставлено: ACS Nano (2022 г.). DOI: 10.1021/acsnano.1c09800
Двигатели повсюду в нашей повседневной жизни — от автомобилей до стиральных машин. Футуристическая научная область работает над крошечными двигателями, которые могли бы питать сеть наномашин и заменить некоторые из источников энергии, которые мы используем сегодня в устройствах.
В новом исследовании, недавно опубликованном в журнале ACS Nano, учёные из Инженерной школы Кокрелла при Техасском университете в Остине создали первый в мире твердотельный оптический нанодвигатель. Все предыдущие версии этих легких двигателей основаны на каком-то решении, которое сдерживало их потенциал для большинства реальных приложений.
«Жизнь зародилась в воде и в конечном итоге переместилась на сушу», — сказал Юэбин Чжэн, доцент кафедры машиностроения Уокера. «Мы заставили эти микро-наномоторы, которые всегда жили в растворе, работать на суше в твердом состоянии».
Исследователи предполагают, что эти двигатели приведут в действие множество вещей. Вращающееся движение может собирать пыль и другие частицы, что делает его полезным для измерения качества воздуха. Они могут запускать устройства для доставки лекарств в человеческое тело. И они могли бы питать крошечные дроны для наблюдения и измерений, а также другие мини-транспортные средства.
Новый двигатель имеет ширину менее 100 нанометров и может вращаться на твердой подложке при слабом освещении. Он может служить бестопливным и безредукторным двигателем для преобразования света в механическую энергию для различных твердотельных микро-/наноэлектромеханических систем.
Выведение этих наномоторов на сушу и из воды, так сказать, позволяет избежать броуновского движения, одного из самых больших препятствий, сдерживающих внедрение этих устройств. Это происходит, когда молекулы воды сбивают с толку эти маленькие моторчики. Чем меньше двигатель, тем сильнее становится это движение. Удаление решения из уравнения полностью решает эту проблему.
Наномоторы являются частью большой и растущей области миниатюрных источников энергии. Они служат промежуточным звеном между молекулярными машинами на меньшем конце и микродвигателями на большем конце.
Область представляет огромный интерес, но на данный момент исследователи все еще пытаются выяснить фундаментальную науку, чтобы сделать эти крошечные двигатели более жизнеспособными за счет повышения эффективности.
Причина, по которой ученые так увлечены созданием этих крошечных двигателей, заключается в том, что они имитируют некоторые из наиболее важных биологических структур. В природе эти моторы управляют делением клеток и помогают им двигаться. Они объединяются, чтобы помочь организмам двигаться.
«Наномоторы помогают нам точно контролировать наномир и создавать новые вещи, которые мы хотим для нашего реального мира», — сказал Цзинган Ли, доктор философии, выпускник группы Чжэна и ведущий автор этого исследования.
Убрав эти двигатели из решения и поместив их на микросхемы, они могут в некоторых случаях заменить батареи, используя только свет для создания механического движения и силовых устройств.
Этот прорыв связан с новой конструкцией: тонким слоем материала с фазовым переходом на подложке. Тонкая пленка может подвергаться локальному и обратимому переходу из твердого состояния в квазижидкое под действием света. Это фазовое изменение может уменьшить силу трения наномоторов и управлять вращением.
Это была первая демонстрация двигателей с использованием наночастиц. В дальнейшем исследователи продолжат совершенствовать свое творение, работая над повышением производительности, делая их более стабильными и управляемыми, что приводит к преобразованию света в механическую энергию с более высокой скоростью.
