(PhysOrg.com) -- Mäter bara 3,6 mikrometer lång, ett av de minsta batterierna som någonsin tillverkats kommer inte att driva våra elektroniska enheter när som helst snart, men den fungerar som en självdriven nanomotor som är förvånansvärt snabb och effektiv. I sista hand, den nanobatteribaserade motorn skulle kunna användas som en nanomaskin och för att transportera gods för biomedicinska tillämpningar.

Forskarna, Dr Ran Liu och Prof. Ayusman Sen från Institutionen för kemi vid Pennsylvania State University, har publicerat sin studie om den nanobatteribaserade motorn i ett färskt nummer av Journal of the American Chemical Society SÅ FORT SOM MÖJLIGT.

Nanobatteriet består av en enda nanotråd med en 3 mikrometer lång kopparände och en 600 nanometer lång platinaände. När nanobatteriet placeras i en utspädd lösning av oxidationsmedel (som brom eller jod), kopparänden fungerar som anod och oxideras medan platinaänden fungerar som katod. När nanobatteriet laddar ur sig själv i lösningen, elektroforesfenomenet börjar, så att det elektriska fältet som genereras av batteriets redoxreaktioner får batteriet att röra sig.

"Den vetenskapliga kärnan i detta fynd är att ett kortslutet nanobatteri (t.ex. koppar-platina segmenterad nanorod) kan förflyttas genom självelektrofores till följd av oxidation och reduktion, respektive, vid de två metallerna, ” berättade Liu PhysOrg.com . "Den genererade strömmen kan direkt omvandlas till mekanisk kraft."

Detta självelektroforesfenomen driver enheten till hastigheter på mer än 10 mikron (tre gånger dess längd) per sekund. Det är ungefär motsvarande en 5-meters (16 fot) motorbåt som rör sig i 54 kilometer i timmen (33,5 miles per timme) genom vatten.

"I det här fallet, riktningen för nanomotorns rörelse är slumpmässig på långa tidsskalor, sa Liu. "Det kan potentiellt kontrolleras. Till exempel, om vi införlivar ett magnetiskt metallsegment i nanobatteriet, vi kan kontrollera dess rörelseriktning med magnetfält."

Nanomotorn arbetar kontinuerligt tills kopparsegmentet är fullständigt oxiderat av bromet eller omvandlats till kopparjodid av joden. Dess livstid, därför, beror på både kopparsegmentets längd och koncentrationen av oxidationsmedlet. I sina experiment, forskarna observerade livslängder för nanobatterier på mellan 40 sekunder och 1 minut genom att ändra dessa variabler. (Längden på kopparsegmentet kan styras av dess elektroavsättningstid under tillverkningen.) Forskarna fann att nanomotorns hastighet också beror på kopparsegmentets längd, där ett kortare kopparsegment ger högre hastighet men minskad livslängd.

Dessutom, forskarna visade att de kunde få nanomotorn att fungera som en rotor av koppar endast genom att polera ena sidan, vilket gör att den deformeras till en "spärrform". Denna asymmetriska nanorod kunde rotera med extremt snabba hastigheter på cirka 170 rpm i brom. Forskarna förklarade att den asymmetriska formen genererar ett vridmoment (eller vridning) som får stången att rotera.

Den nya nanomotorn har vissa fördelar jämfört med andra självdrivna nanomotorer. Till exempel, forskarna byggde tidigare en guld-platina nanomotor som använde väteperoxid som bränsle. Dock, denna nanomotor producerade syrebubblor som gjorde det svårt att studera och hade en lägre verkningsgrad än den nya koppar-platina nanomotorn. Forskarna tillskriver den nya nanomotorns förbättrade effektivitet till dess elektrolytbränsle, allt eller det mesta används för att generera en ström som sedan direkt omvandlas till mekanisk kraft. I kontrast, det mesta av guld-platina nanomotorns bränsle slösas bort i platinaänden och används inte för att generera ström.

"Vår studie bekräftar allmänheten av självelektrofores som en mekanism för mikro/nanomotorisk rörelse och föreslår att praktiskt taget alla redoxreaktioner som inträffar asymmetriskt på en lämplig mikro/nanostruktur kan användas i designen av självdrivna system, sa Liu.

Genom att visa att självelektrofores av ett nanobatteri kan ge framdrivning för att möjliggöra för nanobatteriet att fungera som en nanomotor, forskarna hoppas att de nuvarande resultaten leder till framtida nanomotorer med liknande design men som använder olika material. Till exempel, andra metallpar kan användas, och olika tillämpningar skulle kunna undersökas.

"I princip nanomotorerna kan användas för att aktivt transportera och leverera last, som droger, etc., sa Liu. "I framtiden, vi måste hitta mer miljövänliga, och särskilt biokompatibla, bränslesystem. En annan återstående utmaning är designen av rörliga mikro/nanobatterier som kan laddas och användas upprepade gånger.”

Copyright 2011 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.