science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Een-nm dikke grafeenmotor bootst tweetaktmotor na

In de grafeenmotor, de snelle volume-expansie van chloorfluoridemoleculen door een laser veroorzaakt een hoge interne druk en zorgt ervoor dat het grafeenmembraan naar boven uitpuilt als een blaar. De op-en-neer beweging van de blister is vergelijkbaar met de beweging van een zuiger in een verbrandingsmotor. Krediet:Lee, et al. ©2014 American Chemical Society

(Phys.org) -Het klinkt misschien onmogelijk dat een 1 nm dik stuk grafeen - gemaakt van slechts een enkele laag koolstofatomen en met enkele chloor- en fluoratomen - kan functioneren als een tweetaktverbrandingsmotor. Ten slotte, op macroschaal, tweetaktmotoren worden vaak gebruikt om apparaten zoals kettingzagen en motorfietsen aan te drijven. Hoewel de versie op nanoschaal ook erg krachtig is, de mogelijke toepassingen ervan in nanodevices van de volgende generatie zouden natuurlijk heel anders zijn.

Hoewel ontwerpen voor micro-/nanomotoren vaak zijn geïnspireerd op macroscopische motoren, dit is de eerste motor op nanoschaal die een verbrandingsmotor nabootst, ondanks het wijdverbreide gebruik van twee- en viertaktmotoren sinds de 19 e eeuw.

Onderzoekers Jong Hak Lee, et al., van de groep van Prof. Barbaros Özyilmaz aan het Graphene Research Center van de National University of Singapore, hebben een artikel gepubliceerd over de kleine grafeenmotor in een recent nummer van Nano-letters .

"Het mooie van deze aanpak is dat onze motor heel eenvoudig is en praktisch geen bijproducten (uitlaat) heeft, we hebben ook geen specifieke arbeidsvoorwaarden nodig; daarom zijn wij van mening dat dit een levensvatbare motor is voor nanomachines voor uiteenlopende toepassingen, "Lee vertelde" Phys.org . "Vergelijkbaar met die in alledaagse voertuigen, een nanomotor of rotor die gerichte beweging op nanoschaal kan genereren, is essentieel voor toepassingen met nanomachines of nanorobots. Van grafeen is bekend dat het de hoogste sterkte heeft onder de materialen, wat erg handig is voor deze toepassing. Dit is de eerste keer dat iemand grafeen heeft onderzocht voor dergelijke toepassingen. Dus, we hopen dat ons werk andere groepen zal inspireren om met nog veel meer mogelijke toepassingen te komen."

Terwijl in een conventionele tweetaktmotor, een zuiger beweegt op en neer om een ​​hoge druk op te wekken, in de één-atoom-dikke laag grafeen, het grafeen is zelf de zuiger. Wanneer een laserstraal een plek op het grafeen bestraalt, het zorgt ervoor dat het grafeen een kleine koepelachtige blaar vormt. Het snel in- en uitschakelen van de laser zorgt ervoor dat de blaar herhaaldelijk omhoog komt en weer plat wordt, vergelijkbaar met de beweging van een zuiger.

Een deel van de reden dat dit werkt, is vanwege de unieke mechanische eigenschappen van grafeen, vooral zijn hoge elasticiteit en sterkte. Maar om de grafeenmotor te laten werken, moesten de onderzoekers ook chloorfluoride (ClF 3 ) moleculen in het grafeenrooster. de ClF 3 moleculen en koolstofatomen in het grafeen worden bij elkaar gehouden door ionische koolstof-fluorbindingen.

Bij blootstelling aan de laserstraal, deze banden dissociëren, wat leidt tot een snelle toename van de druk tussen het grafeen en het substraat. Deze druk is ongeveer 1 miljoen Pa, die meerdere malen hoger is dan de gemiddelde druk van een autoband. De hoge druk leidt op zijn beurt tot de vorming van een blaar. Nadat de laser is uitgeschakeld, de ClF 3 moleculen chemisorberen terug op het grafeen, de hervorming van de ionische bindingen, de druk neemt af, en de blaar verdwijnt.

De wetenschappers merkten op dat de grootte van de blaar varieert met het laservermogen. Bijvoorbeeld, 0,32 mW laservermogen resulteert in een blister met een diameter van ongeveer 550 nm. Boven 8,5 mW herhaald fietsen, de druk wordt zo hoog en de volume-expansie zo groot dat de blaar barst.

De onderzoekers toonden aan dat de grafeenmotor buitengewoon betrouwbaar is. Na 10, 000 cycli, de motor blijft werken zonder degradatie. De grafeenmotor is ook zeer energiezuinig.

In de toekomst, de onderzoekers willen de motor verbeteren door verlichtingsparameters en aan/uit-snelheid te onderzoeken, en sluit de motor aan op een doelbelasting. Ze hopen ook de verschillende mogelijke toepassingen ervan te onderzoeken.

"Als een eenvoudige toepassing van deze nanoengine, we zouden deze uitpuilende beweging van de grafeen-nanomotor kunnen gebruiken als een pomp of klep voor een nanofluïdische toepassing, ' zei Lee. 'Uiteindelijk, onze nieuwe motor kan eenvoudig in verschillende toepassingen worden geïntegreerd door MEMS- of NEMS-technieken te combineren om de gegenereerde kracht op elk van de componenten over te brengen. In de toekomst, het kan gemakkelijk worden geïmplanteerd in nanorobots en andere nanomachines."

© 2014 Fys.org