Графеновый нано-двигатель

    Эта неделя оказалась урожайной на новости, связанные с прикладными применениями графена и других нано-материалов. Сначала был ультратонкий транзистор, теперь в том же журнале Nano Letters опубликовали статью о разработке молекулярного нано-двигателя, в котором графеновый слой играет ключевую роль. Этот двигатель состоит из высоко-эластичной мембраны, играющей роль поршня, и молекул ClF3, являющихся рабочим телом. Объем рабочего тела изменяется под воздействием лазера. Нано-двигатель развивает давление до 106 Па и выдерживает более 10 000 циклов.



    Двигатель состоит из частицах графена с включениями ClF3. Между атомами углерода и молекулами ClF3 возникают химические связи C-F, которые могут легко диссоциировать. В частности, эти связи разрушаются при облучении лазером с длиной волны 532 нм. Разрушение связей приводит к к тому, что молекулы пытаются «отодвинуться» от атомов углерода. В результате давление под слоем графена возрастает, графен отделяется от подложки, и происходит формирование блистера (пузырька). При отключении лазера, графен быстро возвращается в свое первоначальное плоское состояние, поскольку реакционная способность ClF3 очень высока, и он снова образует связи с атомами углерода. Быстрое увеличение объема под слоем графена эквивалентно расширению рабочего тела и движению поршня в двигателе внутреннего сгорания. Ключевыми параметрами, определяющим мощность двигателя, являются давление, которое он способен выдержать, которое, в свою очередь, зависит от модуля упругости материала мембраны, газопроницаемости мембраны и ее адгезии к подложке.

    В графене, обработанным жидким ClF3 формируются ионные связи между фтором и углеродом, в результате чего формируется положительный заряд, составляющий 1/6 дырки на каждый атом фтора. Такие ионные связи могут быть легко разрушены, поскольку обладают весьма небольшой энергией ~ 54 кДж/моль. Это примерно в десять раз меньше, чес энергия ковалентной связи C-F. Когда квазистабильная молекула ClF3 теряет свою ионную связь, это приводит к переходу ClF3 в газовую фазу и быстрому увеличению давления. По оценке исследователей, внутреннее давление составляет ~ 23 МПа. Такое давление достаточно для локального отделения графена от подложки. Благодаря высокой прочности графена, модуль Юнга которого может достигать 1 ТПа, и низкой газопроницаемости, весь газ остается внутри пузырька. Структурный анализ графена показал, что даже после 10 тысяч циклов, никаких структурных нарушений не происходит. Авторы считают, что характеристики такого двигателя могут быть существенно улучшены путем оптимизации параметров лазерного импульса, диаметра пучка, а также подбором наиболее эффективного «рабочего тела».


    К сожалению, доступ к полному тексту статьи платный, но на сайте журнала свободно доступны дополнительные материалы.
    ______________________
    Текст подготовлен в Редакторе Блогов от © SoftCoder.ru
    Share post

    Comments 24

      +2
      Все желающие могут получить полный текст оригинальной стати в личку. Спрашивайте.
        0
        Скиньте, пожалуйста, в личку. А вот, к примеру, подписку в личку можно организовать? ;)
          +1
          Есть же sci-hub и эта статья оттуда выковыривается.

          (А ещё есть arxiv.org, но выкладывать ли туда статьи — это добрая воля авторов. Этой статьи там, например, нет.)
            0
            Спасибо! Я знаю, где медицинские статьи искать, а где технические теперь тоже знаю.)
              0
              оффтоп: а где медицинские искать?
                0
                Pubmed. А вообще на сцайхабе все есть.
              0
              А ещё есть arxiv.org, но выкладывать ли туда статьи — это добрая воля авторов.
              К сожалению, как показал статистически незначимый опрос по поводу arxiv.org, не все видят смысл в публикации там (цитирую): «у arxiv.org невысокий индекс», «журнал обычно выбирается с высоким индексом», «на западе все университеты подписаны почти на все журналы». Увы :(
                0
                Что касается arxiv.org, тут дело скорее, в политике издательства. ACS запрещает «самоархивирование» на публичных сервисах в течение года с момента публикации, а далее с оговорками. Я даже свою статью в Nano Leters не могу нигде выложить, только ссылки на оригинал. В других журналах с этим проще.
            +3
            А общий размер двигателя равен нано двигателю и лазеру размером пару килограмм?
              +4
              Думаю, поболее будет — эту все нужно на антивибрационный стол поставить, да в чистой комнате. Так что, минимум, кубов двадцать.
                0
                Если нанодвигатель прицепить к нано-модели поезда, то получится замечательный станционарный макет, которым можно перед всеми хвастаться.
              0
              Вопрос дилетанта: стоит ли ожидать в ближайшие 50 лет автомобили двигаемые подобным принципом? Или он имеет другую точку применения?
                +3
                Автомобили — вряд-ли. А вот как компонент для нано-механики, где нужно контролировать перемещение микроскопических объектов с субмикронным или даже нанометровым разрешением — вполне. Например, в каком-нибудь пико-проекторе линзами управлять.
                  0
                  О! Это гораздо интереснее!
                    0
                    Позвольте разбавить оптимизм небольшой порцией скепсиса. До перемещения объектов с субмикронным разрешением (я уж молчу про нанометровое), на мой взгляд, пока ещё далеко. Дифракционный предел пока ещё не никто не отменил, поэтому в описанных условиях самое радужное разрешение — 532 нанометра пополам, то есть четверть микрона. На практике же даже весьма дорогостоящие микрообъективы меньше микрона редко дают. Разумеется, если речь идёт о манипуляциях с одним-двумя объектами, то можно по-всякому ухищряться и тогда при достаточной точности позиционирования объектива (что вполне возможно, взять ту же продукцию attocube) можно будет не хуже тыркать и то, что есть желание тыркать. Но и это ещё не всё. Десять милливатт на двухмикронное пятно — это не так и мало. Так можно и просто пожечь то, что хотелось перемещать. Словом, как мне кажется, исследование интересное, но делать слишком далеко идущие выводы пока рано.
                      0
                      В данном конкретном случае, рабочее направление — это ось Z. И как видно из последнего рисунка, разрешение там практически нанометровое. Насчет длины волны лазера — похоже, что они просто использовали то, что было — стандартный лазер рамановского спектрометра. Наверняка этот параметр можно оптимизировать, подобрать другое рабочее тело, для которого нужна меньшая энергия или заменить лазер электронным лучом, к примеру. В общем, есть куда стремится.
                        +1
                        Вполне согласен с вашими доводами. Просто привык с осторожностью относиться к анонсам различных достижениям. :-)
                  0
                  Добавил еще один рисунок в пост. Думаю, с ним будет немного понятнее, о каких масштабах идет речь и как этим всем можно управлять.
                    +1
                    Что только не придумают, лишь бы ховерборд не делать!
                      –2
                      Используя эти свойства в «обратную сторону», можно получить отличный микромеханический сенсор. Думается.
                        +3
                        Как вы себе это представляете? Луч света, вырывающийся из пузырька при растягивании?
                          +1
                          Почему бы и нет ;-) (шутка с долей шутки)
                            0
                            Там свет наоборот при схлопывании.
                            0
                            Изменение состояния среды в ходе воздействия на неё вполне может стать детектором процессов, оказывающих на эту среду влияние. Логика сохранена. И, да, луч света отличный физический эффект для детектирования.

                        Only users with full accounts can post comments. Log in, please.