Computers die in onze zakken passen, televisieschermen niet dikker dan een deur, en auto's die maar iets groter zijn dan hun passagiers, technologie wordt steeds kleiner. Een belangrijke reden voor deze miniaturisering is de ontwikkeling van resonatoren van nanoformaat, die kleine hoeveelheden elektrisch vermogen omzetten in mechanische trillingen bij hoge frequenties.

"Nano-elektromechanische resonatoren worden gebruikt in allerlei moderne technologie. Je ziet ze misschien niet, maar ze zijn te vinden in robotica, medische hulpmiddelen en omgevingssensoren, ", zegt Hidezaku Tanaka, professor aan de universiteit van Osaka, die nieuwe nanotechnologieën ontwikkelt.

Eerder dit jaar, Tanaka en zijn onderzoeksteam rapporteerden een vrijstaande nanodraad die de stroombehoefte van nano-resonatoren met een factor honderd zou kunnen verminderen.

"Overgangsmetalen ondergaan een overgang van isolator naar metaal. We hebben vrijstaande nanodraden gemaakt van vanadiumdioxide (VO2) die hoge prestaties leveren bij een laag vermogen."

De faseovergang kan plaatsvinden door elektrisch vermogen in VO2-kristallen te injecteren. Omdat de mechanische respons op het vermogen niet-lineair is, Tanaka toonde aan dat een ongekend laag vermogen kan worden gebruikt om een ​​onevenredig sterke mechanische respons te genereren. Tanaka ontdekte dat het vrijstaande karakter van de draad centraal staat, omdat anders de niet-lineariteit en dus de energie-efficiëntie veel minder was.

"Het was niet eenvoudig om de vrijstaande nanodraad te bouwen. Metaaloxiden zijn erg stijf en bros. We zouden de nanodraden kunnen fabriceren door ze op magnesiumoxide (MgO) te laten groeien en vervolgens de MgO-laag weg te etsen."

In zijn laatste publicatie het samenwerkingsteam van de Tanaka-groep, Professor Daniele Marré-groep in Italië en Dr. Nicola Manca in de Nederlandse groep om te bepalen hoe eenvoudig de constructie van nano-resonatoren met behulp van zijn VO2 vrijstaande nanodraden zou kunnen zijn. Vanwege de elektromechanische eigenschappen van VO2-kristallen en zijn vrijstaande ontwerp, de nanodraden kunnen mechanische oscillaties genereren op MHz-frequenties met niets meer dan een eenvoudige gelijkstroombron. Deze efficiënte omzetting van elektrische energie naar mechanisch werk vermindert de behoefte aan speciale elektronische apparaten, waardoor het mogelijk wordt om nog kleinere nano-elektromechanische systemen (NEMS) te creëren dan momenteel worden gebruikt.

De nanodraden zijn afhankelijk van de spontane oscillaties in het elektrische signaal veroorzaakt door faseovergangen in de VO2. Deze elektrische oscillaties zorgen ervoor dat de VO2-nanodraden ook oscilleren, maar de niet-lineaire elektromechanische koppeling betekent dat dat vermogen op nanoschaal VO2-oscillaties kan genereren op MHz-frequenties. Het team toonde aan dat de extra energie voor de kristaloscillaties komt in de vorm van warmte veroorzaakt door de elektrische stroom.

"We hebben ons ontwerp zo opgezet dat een Joule-effect werd gelokaliseerd in een opening van blootgestelde VO2. We ontdekten dat de energiebron voor de mechanische respons wordt gedomineerd door thermische dissipaties en niet door elektrisch vermogen, ' zei Tanaka.

Het ontwerpen van een NEMS dat efficiënt gebruik maakt van warmte die wordt gegenereerd door de faseovergangen, geeft een nieuw paradigma voor energie-efficiënte technologieën.

"Ons systeem is eenvoudig en schaalbaar. Het opent de mogelijkheid om NEMS te realiseren die snel schakelen en gevoed worden door een gelijkstroombron."