(PhysOrg.com) -- Met een lengte van slechts 3,6 micrometer, een van de kleinste batterijen ooit gemaakt zal onze elektronische apparaten niet snel van stroom voorzien, maar het dient wel als een zelfaangedreven nanomotor die verrassend snel en efficiënt is. uiteindelijk, de op nanobatterijen gebaseerde motor zou kunnen worden gebruikt als een nanomachine en om vracht te vervoeren voor biomedische toepassingen.

De onderzoekers, Dr. Ran Liu en Prof. Ayusman Sen van de afdeling Scheikunde van de Pennsylvania State University, hebben hun studie over de op nanobatterijen gebaseerde motor gepubliceerd in een recent nummer van de Tijdschrift van de American Chemical Society ZSM.

De nanobatterij bestaat uit een enkele nanodraad met een 3 micrometer lang koperen uiteinde en een 600 nanometer lang platina-uiteinde. Wanneer de nanobatterij in een verdunde oplossing van oxidatiemiddel (zoals broom of jodium) wordt geplaatst, het koperuiteinde dient als de anode en wordt geoxideerd, terwijl het platinauiteinde als de kathode fungeert. Terwijl de nanobatterij zichzelf ontlaadt in de oplossing, het elektroforese-fenomeen treedt in werking, zodat het elektrische veld dat wordt gegenereerd door de redoxreacties van de batterij ervoor zorgt dat de batterij beweegt.

“De wetenschappelijke kern van deze bevinding is dat een kortgesloten nanobatterij (bijv. koper-platina gesegmenteerde nanostaaf) kan worden verplaatst door zelfelektroforese als gevolg van oxidatie en reductie die optreedt, respectievelijk, bij de twee metalen, Liu vertelde PhysOrg.com . “De opgewekte stroom kan direct worden omgezet in mechanische kracht.”

Dit fenomeen van zelfelektroforese stuwt het apparaat naar snelheden van meer dan 10 micron (driemaal de lengte) per seconde. Dat is het ruwe equivalent van een motorboot van 5 meter (16 voet) die zich met 54 kilometer per uur (33,5 mijl per uur) door water voortbeweegt.

“In dit geval de richting van de beweging van de nanomotor is willekeurig op lange tijdschalen, ' zei Liu. “Het kan potentieel worden gecontroleerd. Bijvoorbeeld, als we een magnetisch metalen segment in de nanobatterij opnemen, we kunnen de bewegingsrichting regelen door een magnetisch veld.

De nanomotor werkt continu totdat het kopersegment volledig is geoxideerd door het broom of is omgezet in koperjodide door het jodium. Zijn leven, daarom, hangt af van zowel de lengte van het kopersegment als de concentratie van het oxidatiemiddel. In hun experimenten, de onderzoekers observeerden levensduur van nanobatterijen tussen 40 seconden en 1 minuut door deze variabelen te veranderen. (De lengte van het kopersegment kan worden geregeld door de elektrodepositietijd tijdens de fabricage.) De onderzoekers ontdekten dat de snelheid van de nanomotor ook afhangt van de lengte van het kopersegment, waarbij een korter kopersegment een hogere snelheid geeft maar een kortere levensduur.

In aanvulling, de onderzoekers toonden aan dat ze de nanomotor als rotor uit koper konden laten functioneren door slechts één kant te polijsten, waardoor het wordt vervormd tot een "ratel" -vorm. Deze asymmetrische nanostaaf kon met extreem hoge snelheden van ongeveer 170 rpm in broom draaien. De wetenschappers legden uit dat de asymmetrische vorm een ​​koppel (of draaiing) genereert waardoor de staaf gaat roteren.

De nieuwe nanomotor heeft enkele voordelen ten opzichte van andere zelfaangedreven nanomotoren. Bijvoorbeeld, de onderzoekers bouwden eerder een goud-platina nanomotor die waterstofperoxide als brandstof gebruikte. Echter, deze nanomotor produceerde zuurstofbellen die het bestuderen bemoeilijkten en had een lager rendement dan de nieuwe koper-platina nanomotor. De onderzoekers schrijven de verbeterde efficiëntie van de nieuwe nanomotor toe aan de elektrolytbrandstof, waarvan alles of het grootste deel wordt gebruikt om een ​​stroom op te wekken die vervolgens direct wordt omgezet in mechanische kracht. In tegenstelling tot, het grootste deel van de brandstof van de goud-platina nanomotor wordt verspild aan het platina-uiteinde en wordt niet gebruikt om stroom te genereren.

“Onze studie bevestigt de algemeenheid van zelfelektroforese als een mechanisme voor micro/nanomotorische beweging en suggereert dat vrijwel elke redoxreactie die asymmetrisch op een geschikte micro/nanostructuur plaatsvindt, kan worden gebruikt bij het ontwerp van zelfaangedreven systemen, ' zei Liu.

Door aan te tonen dat zelfelektroforese van een nanobatterij voor voortstuwing kan zorgen om de nanobatterij als nanomotor te laten functioneren, de onderzoekers hopen dat de huidige resultaten leiden tot toekomstige nanomotoren met een vergelijkbaar ontwerp, maar die andere materialen gebruiken. Bijvoorbeeld, andere metaalparen zouden kunnen worden gebruikt, en verschillende toepassingen kunnen worden onderzocht.

“In principe de nanomotoren kunnen worden ingezet om actief vracht te vervoeren en af ​​te leveren, zoals medicijnen, enzovoort., ' zei Liu. “In de toekomst we moeten op zoek naar meer milieuvriendelijke, en vooral biocompatibel, brandstof systemen. Een andere resterende uitdaging is het ontwerp van bewegende micro-/nanobatterijen die kunnen worden opgeladen en herhaaldelijk kunnen worden gebruikt.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.