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未來的納米器件:旋轉碳納米管電機

作者:中國科學院成都有機化學有限公司 來源:http://m.chun-tian.cn 日期:2015-03-27 16:22:49


導讀: 作為最簡單和最小的電機之一,包含一個旋轉內管和一個固定外管的雙壁碳納米管(double-walled carbon nanotube,DWCNT)將在未來納米器件中發揮重要作用。在最新的研究中,研究人員研究在恒定的高溫條件下,DWCNT內管的旋轉行為。
  中國西北農林科技大學和澳大利亞國立大學的研究人員K Cai等在Nanotechnology雜志上,詳細介紹了有關DWCNT旋轉電機的研究進展。
  科學家解釋說DWCNT有潛力成為一種高效的電機,這主要是由于它結合了兩種重要特性:強共價鍵導致的單根管內的高強度,以及范德瓦爾斯力導致的兩根相鄰管的弱相互作用力。
  正如之前的研究所述,內管可以通過轉動或平移運動(向前或向后)移動至外管中。這兩種類型的運動通常結合在一起,從而形成管的螺旋形運動。內管的這一特殊運動軌跡由其與外管的原子相互作用力所決定。

 

圖片說明:模擬實驗中,在第3000皮秒和第3001皮秒的DWCNT內管旋轉示意圖。

  之前的研究已展示了DWCNT的許多納米級運動現象,比如幾乎可以忽略不計的摩擦力和與溫度梯度成正比的驅動力。在最新的研究中,研究人員通過模擬發現無梯度變化的恒溫條件可使DWCNT轉動。大約在室溫下(300K),內管失去其幾何對稱性,并開始轉動。研究人員發現了三種影響內管轉動的因素:環境溫度、外觀固定部分的長度和管間間距。
  研究人員通過分子動力學模擬發現,相比于較低溫度,在300K時,隨著內管的動能越來越高,內管的轉動頻率增加。因為內管產生了更高的扭矩,所以當外管的全長不變時,其轉動頻率同樣增加。另外,當管間間距接近于石墨烯薄片之間的臨界距離,即0.335nm時,轉動頻率也會增加。但管間間距小于此距離,管間摩擦力增加,而當管間間距變大時,各管中的相互作用力變弱,同樣轉動也會減弱。
  為了無梯度溫度場驅動的DWCNT轉動電機在下一代納米機電系統中廣泛應用,還需要進一步的研究。
  Cai 說:“與其他任何納米電機相比,比如電動電機和流動氣體驅動電機,熱DWCNT電機更簡單、更小,操作起來也更方便。尤其是,其內管的轉動頻率范圍廣,可用于電磁納米器件中的信息傳遞,諸如轉換器和存儲器等。”
  在未來工作中,研究人員將研究逐步改善此電機的性能。
  Cai說:“我們需要設計一種穩健的DWCNT電機。比如,應當有更穩定的納米結構、可精確調節的轉動狀態,并可在局域電磁場中進行測量。”


 

圖片說明:五種模擬的雙壁碳納米管,其中藍色和橙色分別表示內管和外管參數。

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