Наномоторы на туннельном эффекте

Исследователи из США предложили принципиально возможную конструкцию нанодвигателя, в котором ротор приводится во вращение за счет туннелирования электронов. Для доказательства жизнеспособности идей было использовано компьютерное моделирование. Ученые также утверждают, что работа их устройства во многом подобна встречающимся в природе биологическим моторам.

Когда-нибудь в будущем крошечные автономные нанороботы могут быть использованы для выполнения широкого круга задач, таких как сборка электронных цепей или доставка лекарств к необходимым частям тела. Но прежде чем это станет реальным, нанотехнологии должны достичь уровня, когда они смогут двигать такие устройства, поскольку обычные моторы нельзя просто уменьшить до нанометровых размеров.

В природе, однако, встречаются примеры таких нанодвигателей – некоторые бактерии и другие микроорганизмы передвигаются, используя жгутиковые структуры, которые приводятся в движение биомолекулярными моторами. Считается, что основой таких биомоторов являются протоны, полученные в результате туннельного эффекта.

Петр Краль (Petr Kral) с коллегами из Иллинойского Университета в Чикаго показали, что для приведения в движение искусственных наномоторов может быть использован эффект туннелирования электронов.

Для моделирования наномотора команда применила молекулярно-динамическую компьютерную симуляцию, которая включала вал из углеродной нанотрубки с молекулярными «стеблями», оканчивающимися проводящими «лезвиями». Ротор напоминает водяное колесо, в котором вместо воды между стационарными электродами и движущимися лезвиями каждый раз туннелируется один электрон. С каждым электроном, проходящим через лезвия, ротор в зависимости от конфигурации поворачивается либо на 120º, либо на 60º.

Вращение происходит за счет того, что зарядка и разрядка ближайших к электродам лезвий создает дипольный момент. Диполь, в свою очередь, размещается в электрическом поле, создаваемом двумя противоположно заряженными электродами. Результирующий вращающий момент приводит ротор в движение. Этот механизм очень подобен тому, как работают некоторые биологические моторы.

Команда полагает, что такие устройства будут достаточно надежны, поскольку одноатомные дефекты, присутствующие во всех устройствах подобных размеров, не будут воздействовать на механизм ротора, особенно, если они будут изготовляться на основе нескольких параллельных элементов.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365