Двигатель на основе наночастиц

Номинация: Самая актуальная работа
Просмотреть картинки списком
Автор: Исхакова Елена, Фуфаев Алексей. Наставник: Щербинин Александр Николаевич
Город: Москва
Место учебы: Московский строительный техникум

К традиционным трем аллотропным формам углерода (графит, алмаз и карбин) добавилась еще одна (фуллерены), то на протяжении нескольких последующих лет с исследовательских лабораторий шквалом посыпались сообщения об открытии и изучении разнообразных структур на основе углерода с интересными свойствами, таких как нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсные материалы и пр.

В первую очередь нас интересуют углеродные нанотрубки – полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров (длинна традиционных нанотрубок исчисляется микронами, хотя в лаборатории уже получают структуры длинной порядка миллиметров и даже сантиметров). Эти наноструктуры можно представить следующим образом: просто берем полоску графитовой полоски и сворачиваем ее в цилиндр. Конечно, это лишь образное представление. В действительности же непосредственно получить графитовую плоскость и скрутить ее «в трубочку» не представляется возможным. Методы получения углеродных нанотрубок являются довольно сложной и объемной технической проблемой.

Углеродные нанотрубки характеризуются большим разнообразием форм. К примеру они могут быть одностенными или многостенными, прямыми или спиральными, длинными и короткими и т.д. Что важно, нанотрубки оказались необыкновенно прочными на растяжении и на изгиб. Под действием больших механических напряжений нанотрубки не рвутся, не ломаются, а просто перестраивается их структура. Интересно отметить одно из последних исследований природы этого свойства.

Исследователи из Университета Райса (Rice University) под руководством Бориса Якобсона установил, что углеродные нанотрубки ведут себя как «умные самовосстанавливающиеся структуры». Так, при критическом механическом воздействии и деформациях, вызванных изменениями температуры или радиоактивным излучением, нанотрубки умеют сами себя «ремонтировать». Оказывается. Кроме 6 углеродных ячеек в нанотрубках также присутствуют 5 и 7 атомные кластеры. Эти 5/7 атомные ячейки проявляют необычное поведение, циклически передвигаясь вдоль поверхности углеродной нанотрубки. При возникновении повреждения, в месте дефекта эти ячейки принимают участие в «заживлении раны», перераспределяя энергию.

Кроме того, нанотрубки демонстрируют множество неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств, которые уже стали объектами ряда исследований. Особенностью углеродных нанотрубок является их электропроводность, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Они так же имеют прекрасную теплопроводность, стабильны химически и, что самое интересное, могут приобретать полупроводниковые свойства.

Углеродные нанотрубки используют в качестве зонда сканирующего туннельного микроскопа, технические возможности которого в плотную приблизились к разрешающей способности на атомном уровне.

Наночастицы семейства фуллеренов имеют большие перспективы в создании нанодвигателей.

Одним из направлений наноразмерного двигателестроения является прямое преобразование электрической энергии в механическое движение. Используемые для этих целей наноэлементы из ориентированных пучков углеродных нанотрубок во много раз эффективнее пьезоэлектрических элементов. Они могут работать так же в жидких средах, в том числе и в биологических, что представляет интерес для многих технических и медико-биологических применений.

Для передачи движения от наноразмерного двигателя к исполнительному механизму необходим механический привод соответствующих размеров. Один из вариантов конструктивного оформления шестеренчатой передачи нанометрических размеров представлен на рисунке.

Основной конструкцией являются две углеродные нанотрубки, которые служат валами шестеренной передачи. В качестве зубьев шестеренки к углеродным атомам нанотрубок присоединены молекулы бензола. К одной нанотрубке подключается наноразмерный двигатель, и вся система приходит в движение. Бензольные кольца воздействуют друг на друга ван-дер-ваальсовыми силами и приводят в движение ведомую шестеренку.