Вчені створили наносистему, яка працює по принципу нанорозмірного теплового двигуна

15 Views Comment Off

Ілюструючи те, що деякі фізичні процеси протікають зовсім по-іншому на нанорозмірному масштабі, вчені з Фізико-технічного інституту низьких температур імені Б. І. Вєркіна Національної Академії Наук України, Харків, і Технологічного університету Чалмерса, Швеція, створили дивовижну наноелектромеханічну систему. Елементи цієї системи здійснюють механічні рухи за рахунок взаємодії між електронами, але, на відміну від інших подібних систем, для цього не потрібно протікання електричного струму. Взаємодії електрон-електрон в даній системі виникають між двома “електронними” ємностями, які мають різну температуру, а активний елемент системи – вуглецева нанотрубка, починає коливатися під впливом теплового потоку, що протікає через неї.

“Мікроскопічні пристрої, які є комбінацією електроніки і крихітної механіки, мікроелектромеханічні системи, MEMS (microelectromechanical systems), використовуються в даний час досить широко” – пишуть дослідники, – “Датчики в наших смартфонах, які визначають прискорення і орієнтацію, є цьому хорошими прикладами. Подальший розвиток цих технологій має привести до заміни мікроелементів наноелементами і наша робота лежить саме в цій області, ми розробляємо, моделюємо і вивчаємо різні наноелектромеханічні пристрої”.

Механізм, який змушує працювати нову наноелектромеханічну систему, докорінно відрізняється від механізму роботи подібних систем, що використовують електричний струм. Система складається з вуглецевої нанотрубки, прикріпленої кінцями до двох електродів. Власне кожен електрод складається з двох частин, на стику яких кріпиться кінець вуглецевої нанотрубки. Частина електрода нижче нанотрубки діє як один електронний резервуар, а верхня частина – як другий резервуар. Електрони, що містяться в обох резервуарах, можуть вільно переміщатися на нанотрубку і назад за рахунок ефекту квантового тунелювання. Однак, за рахунок використання спеціальних матеріалів, електрони в різних резервуарах мають різне спрямування їх обертання, спін, тому електрон з одного резервуара не може потрапити до другого, що виключає будь-яку можливість перенесення електричного заряду.

Все починає ставати цікавим, коли між електронними резервуарами виникає температурний градієнт. Коли “гарячі” електрони з одного резервуара зустрічаються в нанотрубці з “холодними” електронами з другого резервуара, вони починають взаємодіяти, передаючи тепло. Колишні “холодні” електрони, які отримали частину теплової енергії, повертаються до свого резервуара, а колишні “гарячі” – в свій.

Тепловий потік, що протікає за рахунок такого незвичайного механізму, змушує деформуватися вуглецеву нанотрубку. При цьому виникає свого роду зворотний зв’язок, деформація нанотрубки збільшує ефективність тунелювання електронів в один з резервуарів і зменшує ефективність тунелювання в інший. Саме за рахунок цього “зворотного зв’язку” виникають коливання нанотрубки, амплітуду і частоту яких можна регулювати, змінюючи температурний градієнт між електронними резервуарами.

Дана система являє собою простий нанорозмірний тепловий двигун, що виконує функцію перетворення теплової енергії в механічний рух. Дивно те, що ефективність роботи цього двигуна дуже мало, всього на кілька відсотків, залежить від величини температурного градієнта, дослідники вважають, що основним обмеженням продуктивності нанорозмірного теплового двигуна є його геометрія і особливості структури.

“Якщо розглядати такі теплові двигуни в контексті будь-якого електронного пристрою, то можна відразу побачити масу областей їх застосування” – пишуть дослідники, – “Тепло завжди присутнє в електронних схемах як побічний продукт, і якщо у нас вийде використовувати його частину з користю, скажімо для приведення в дію нанорозмірних пристроїв, ми отримаємо більш ефективну і більш функціональну електроніку”.

... ... .
In : Техно

Related Articles

404