Последние новости науки
 
Двигатели нанометровых размеров.

Понятие "нанотехнологии" постепенно входит в нашу жизнь. Экспериментаторы научились не только "видеть" отдельные атомы и молекулы, но и манипулировать ими, перемещать их. Однако такие манипуляции выглядят пока довольно неуклюже: огромный по атомным меркам прибор (например, острие иглы сканирующего туннельного микроскопа) хватает один атом и транспортирует его. Несмотря на принципиальную возможность нано-манипуляций, такой способ все же крайне неэффективен для конкретных приложений нанотехнологии. А вот бы научиться создавать настоящие "нано-двигатели", которые, сами будучи размером с нанометр, шустро хватали бы атомы и переносили их в нужное место! Это был бы настоящий полностью автоматизированный завод на атомарном уровне! Приложений такой истинной нанотехнологии - тысячи, начиная от чисто научных применений в физике тведого тела, в атомной и химфизике (например, сооружение молекул), заканчивая сборкой микросхем (точнее, уже "наносхем") и применением в молекулярной биологии и в медицине.

Почему же такие нанодвигатели еще не созданы? Главная принципиальная загвоздка здесь - это как обеспечить направленное и контолируемое движение этих "нано-автомобилей".

В работе израильских физиков [1] была предложена новая и очень простая схема того, как сделать нанометровые двигатели легко управляемыми. Это предложение реализовано пока только на бумаге, то есть в виде принципиальной теоретической конструкции, однако авторы статьи считают, что конкретная экспериментальная реализация этой идеи не заставит себя долго ждать.

Итак, рассмотрим простейшую одномерную модель движущегося средства нанометрового масштаба. Пусть у нас есть три наночастицы, находящиеся в периодическом внешнем поле (рис.1а). Это могут быть, например, атомные кластеры, лежащие на поверхности кристалла. Между ними есть связи, изображенные на рисунке пружинками. Предположим, что мы можем управлять свободной длиной этих "пружинок" (на роль таких пружинок годятся так называемые  фотохромные молекулы, которые под действием внешнего света могут менять свою длину). Пусть изменение свободной длины i-той связи будет происходить периодически во времени, например, по закону

Li = L0 + DLsin(wt + ji)
Пусть между двуми пружинками имеется определенной сдвиг по фазе, j1 > j2, так что первая пружинка начинает удлиняться раньше второй. Результат - система начнет двигаться в сторону первой пружинки! На рис.1b показаны 10 "снимков" эволюции системы с течением времени. На сайте [2] можно увидеть этот процесс в анимации в двумерном случае.

Такая машина может не только ползать по горизонтальной поверхности, но и двигаться против внешней силы, например ползти вверх по наклонной плоскости. Кроме того, она может тащить на себе определенный груз, составляющий до половины массы движущегося устройства. Очень важно и то, что изменяя закон, по которому меняется свободная длина пружинок, можно контролировать скорость и направление движения системы. В частности, в двумерном случае можно заставить систему двигаться в любом направлении. Наконец, интересно еще и то, что если три частицы объединить в кольцо, то получится нанометровый ротор!

Заметим, что принцип, на основе которого передвигается такая система - совершенно общий, чисто механический, непосредственно следующий из уравнений классической механики. Поэтому, в принципе применение этой идеи не ограничено наномашинами, а может оказаться полезным и в макромире.

Ссылки:
[1] M.Proto, M.Urbakh, J.Klafner, Phys.Rev.Lett.,84 (2000) 6058.
[2] http://www.aip.org/physnews/graphics/html/nanoloco.html - анимация движения системы.

 

[ Предыдущее сообщение     Оглавление     Последующее сообщение
 

 
vlad@ssl.nsu.ru