Nel motore al grafene, la rapida espansione del volume delle molecole di fluoruro di cloro da parte di un laser provoca un'elevata pressione interna e porta la membrana di grafene a gonfiarsi verso l'alto come una vescica. Il movimento su e giù del blister è simile al movimento di un pistone in un motore a combustione. Credito:Lee, et al. ©2014 American Chemical Society
(Phys.org) —Può sembrare impossibile che un pezzo di grafene dello spessore di 1 nm, costituito da un solo strato di atomi di carbonio e contenente alcuni atomi di cloro e fluoro, possa funzionare come un motore a combustione a due tempi. Dopotutto, su macroscala, i motori a due tempi sono spesso utilizzati per alimentare dispositivi come motoseghe e motocicli. Sebbene anche la versione su nanoscala sia molto potente, le sue potenziali applicazioni nei nanodispositivi di prossima generazione sarebbero ovviamente molto diverse.
Sebbene i progetti di motori micro/nano siano spesso ispirati a motori macroscopici, questo è il primo motore su scala nanometrica che imita un motore a combustione interna, nonostante l'uso diffuso di motori a due e quattro tempi dal 19 ns secolo.
I ricercatori Jong Hak Lee, et al., dal gruppo del Prof. Barbaros Özyilmaz al Graphene Research Center della National University of Singapore, hanno pubblicato un articolo sul minuscolo motore al grafene in un recente numero di Nano lettere .
"La bellezza di questo approccio è che il nostro motore è molto semplice e non ha praticamente sottoprodotti (scarico), né abbiamo bisogno di condizioni di lavoro specifiche; quindi riteniamo che questo sia un valido motore per nanomacchine per svariate applicazioni, "Lei ha detto Phys.org . "Simile a quello dei veicoli di tutti i giorni, un nanomotore o un rotore in grado di generare movimento direzionale su scala nanometrica è essenziale per le applicazioni nanomacchine o nanorobotiche. Il grafene è noto per avere la più alta resistenza tra i materiali, che è molto utile per questa applicazione. Questa è la prima volta che qualcuno ha esplorato il grafene per tali applicazioni. Così, speriamo che il nostro lavoro ispiri altri gruppi a trovare molte altre potenziali applicazioni".
Considerando che in un motore a due tempi convenzionale, un pistone si muove su e giù per generare un'alta pressione, nello strato di grafene dello spessore di un atomo, il grafene è esso stesso il pistone. Quando un raggio laser irradia un punto sul grafene, fa sì che il grafene formi una piccola bolla a forma di cupola. L'accensione e lo spegnimento rapidi del laser fa sì che il blister si alzi ripetutamente e si appiattisca di nuovo, simile al moto di un pistone.
Parte del motivo per cui questo funziona è dovuto alle proprietà meccaniche uniche del grafene, soprattutto la sua elevata elasticità e resistenza. Ma affinché il motore del grafene funzioni, i ricercatori hanno dovuto inserire anche il fluoruro di cloro (ClF 3 ) molecole nel reticolo di grafene. il ClF 3 molecole e atomi di carbonio nel grafene sono tenuti insieme da legami ionici carbonio-fluoro.
Quando esposto al raggio laser, questi legami si dissociano, che porta ad un rapido aumento della pressione tra il grafene e il suo substrato. Questa pressione è di circa 1 milione di Pa, che è parecchie volte superiore alla pressione media di un pneumatico per auto. L'alta pressione a sua volta porta alla formazione di un blister. Dopo che il laser è stato spento, il CF 3 molecole chemiassorbono nuovamente sul grafene, la riforma dei legami ionici, la pressione diminuisce, e il blister scompare.
Gli scienziati hanno osservato che la dimensione del blister varia con la potenza del laser. Per esempio, La potenza del laser di 0,32 mW si traduce in un blister con un diametro di circa 550 nm. Sopra 8,5 mW di cicli ripetuti, la pressione diventa così alta e l'espansione del volume così grande che il blister scoppia.
I ricercatori hanno dimostrato che il motore del grafene mostra un'affidabilità eccezionale. Dopo le 10, 000 cicli, il motore continua a funzionare senza alcun degrado. Il motore del grafene è anche altamente efficiente dal punto di vista energetico.
Nel futuro, i ricercatori vorrebbero migliorare il motore esplorando i parametri di illuminazione e la velocità di accensione/spegnimento, così come collegare il motore a un carico di destinazione. Sperano anche di indagare sulle sue varie potenziali applicazioni.
"Come semplice applicazione di questo nanomotore, potremmo usare questo movimento rigonfio del nanomotore al grafene come pompa o valvola per un'applicazione nanofluidica, " ha detto Lee. "In definitiva, il nostro nuovo motore può essere facilmente integrato in varie applicazioni combinando tecniche MEMS o NEMS per trasferire la forza generata a ciascuno dei componenti. Nel futuro, può essere facilmente impiantato in nanorobot e altre nanomacchine".
© 2014 Phys.org
