Als een van de eenvoudigste en kleinste van alle motoren, een dubbelwandige koolstofnanobuis (DWCNT) met een roterende binnenbuis en een vaste buitenbuis kan ooit een grote rol spelen in een verscheidenheid aan toekomstige nanodevices. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben het rotatiegedrag van de binnenbuis bestudeerd van een DWCNT-motor waarvan de beweging wordt veroorzaakt door een relatief hoge uniforme temperatuur.

De onderzoekers, K. Cai, et al., aan de Northwest A&F University in Yangling, China, en de Australian National University in Acton, Australië, hebben hun paper over DWCNT-roterende motoren gepubliceerd in een recent nummer van: Nanotechnologie .

Zoals de wetenschappers uitleggen, DWCNT's hebben het potentieel om als effectieve motoren te fungeren vanwege hun combinatie van twee belangrijke eigenschappen:de grote sterkte van elke individuele buis vanwege de sterke covalente bindingen, en de zwakke interactie tussen de twee aangrenzende buizen als gevolg van afstotende van der Waals-interacties.

Zoals eerder onderzoek heeft aangetoond, de binnenste buis kan in de buitenste buis bewegen door een roterende of translatiebeweging (vooruit en achteruit). Vaak, deze twee soorten bewegingen worden gecombineerd zodat de buis een spiraalvormige baan volgt. Het specifieke bewegingstraject van de binnenbuis wordt bepaald door de atomaire interactie met de buitenbuis. Eerdere studies hebben verschillende bewegingsgerelateerde fenomenen van DWCNT's op nanoschaal onthuld, zoals verdwijnend kleine wrijving en een drijvende kracht die evenredig is met temperatuurgradiënten.

In de nieuwe studie de onderzoekers hebben in simulaties aangetoond dat rotatie in een DWCNT-motor kan worden veroorzaakt door een gradiëntloze, uniforme temperatuur. Bij ongeveer kamertemperatuur (300 K), de binnenband verliest zijn geometrische symmetrie, waardoor het gaat draaien. De onderzoekers onderzochten drie factoren die de rotatie van de binnenbanden beïnvloeden:de omgevingstemperatuur, de lengte van het vaste gedeelte van de buitenste buis, en de tussenruimte.

Met behulp van moleculaire dynamische simulaties, de onderzoekers ontdekten dat de rotatiefrequentie van de binnenband toeneemt bij een temperatuur van 300 K in vergelijking met lagere temperaturen, naarmate de binnenband een hogere kinetische energie krijgt. De rotatiefrequentie neemt ook toe wanneer de volledige lengte van de buitenbuis is gefixeerd, omdat dit een hoger koppel op de binnenbuis creëert. En tenslotte, de rotatiefrequentie neemt toe wanneer de opening tussen de buizen zich dichtbij een kritische afstand tussen twee grafeenplaten bevindt, in dit geval 0,335 nm. Wanneer de kloof kleiner is dan dit, de wrijving tussen de buizen neemt toe, en als de kloof groter is, er is een zwakkere interactie tussen de buizen die de rotatiebeweging vermindert.

Met verder werk, een gradiëntloze, temperatuurgedreven roterende motor gemaakt van een DWCNT zou brede toepassingen kunnen hebben in de volgende generatie nano-elektromechanische systemen (NEMS).

"Vergeleken met elke andere nanomotor, bijv. elektromotoren en door fluïdum aangedreven motoren, thermische DWCNT-motoren zijn eenvoudiger, kleiner en gemakkelijker te bedienen, " vertelde Cai Phys.org . "Vooral, de rotatiefrequentie van de binnenband is breed, die kunnen worden gebruikt voor de overdracht van berichten in elektromagnetische nanoapparaten, zoals schakelaars, herinneringen, enzovoort."

In de toekomst, de onderzoekers zijn van plan om verdere verbeteringen aan de motor aan te brengen.

"Er moet een robuuste DWCNT-motor worden ontworpen, ' zei Cai. 'Bijvoorbeeld, de nanostructuur moet stabiel zijn, de rotatietoestand moet met hoge nauwkeurigheid en met de meting van het lokale elektromagnetische veld instelbaar zijn."

© 2014 Fys.org