Исследователи из Сингапура создали первый наноразмерный тепловой двигатель
 Схематическое изображение конструкции и принципа работы нового теплового нанодвигателя. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Тепловые двигатели активно используются с XIX века. Но до сих пор принципы действия этого двигателя были реализованы лишь в «макро-мире». Устройство, разработанное группой исследователей из Graphene Research Center при National University of Singapore (Сингапур) является первой в мире наноразмерной версией подобного агрегата. Нанодвигатель изготовлен из графена и молекул CIF3, которые выступают в роли движущихся частей в системе. В качестве «свечи зажигания» в нанодвигателе применяется лазерный луч.
Принцип действия двигателя основан на изменении размеров молекул CIF3 и эластичных свойствах графена. При облучении упомянутых структур лазерном, работающем на частоте 532 нм, молекулы, расположенные на стыке графена с подложкой, начинают сублимировать, что существенно увеличивает их объем. Это расширение генерирует высокое давление (около 23 МПа) и создает куполообразное вздутие на поверхности графена. При отключении лазера графен возвращается в исходное плоское состояние. Это эластичное расширение и сжатие графена эквивалентно движению поршня в двигателе внутреннего сгорания.
Как отмечают ученые, размерами «вздутия» на поверхности графена можно легко управлять, изменяя параметры «зажигания», т.е. мощность лазера. По предварительным оценкам внутреннее давление на этапе расширения двигателя составляет порядка 106 Па. При этом «вздутие» изменяют свою форму чрезвычайно быстро (менее чем за 0,001 с). Длительная эксплуатация устройства также показала, что механизм является достаточно прочным, и двигатель не изменяет своих характеристик даже после 10 тыс. циклов расширения и сокращения.
Стоит отметить, что графен (представляющий собой двумерную пластину атомов углерода, образующих гексагональную кристаллическую решетку) является наиболее прочным материалом из известных на сегодняшний день, что делает его идеальным для применения в разнообразных нанодвигателях. Однако до сих пор научные группы не стремились создавать нанодвигатели только лишь на основе графена. Таким образом, опубликованная в журнале Nano Letters работа открывает новые перспективы для применения материала. Предложенная учеными конструкция теплового двигателя эксплуатирует наиболее «удачные» свойства графена, что делает ее весьма надежной. При этом двигатель не производит никаких отходов и побочных продуктов, т.е. не требуется никакой сложной техники для его встраивания в реальные машины.
Как считают сами ученые, предложенный ими двигатель уже на текущей стадии развития экспериментальной техники может быть чрезвычайно перспективным. Используя уже существующие методы строительства микро- и наноэлектромеханических систем (МЭМС и НЭМС) он позволит создавать принципиально новые наномашины и нанороботов. Кроме того, характер движения нового двигателя позволяет использовать его в качестве насоса или клапана для нанофлюидики.
Также по теме:
- Вибрирующая молекула может исполнить роль двигателя
- Эффективный нанодвигатель может использовать свет в качестве «топлива»
- Успешный пробный запуск ракетного ускорителя на твердом топливе Ariane 5
- Исследователи облегчили перенос двумерных структур
- Самый маленький в мире наномеханический резонатор
Источники: