(Phys.org) – Det kan låta omöjligt att en 1 nm tjock bit grafen – gjord av bara ett enda lager kolatomer och som innehåller några klor- och fluoratomer – kan fungera som en tvåtaktsförbränningsmotor. Trots allt, på makroskalan, tvåtaktsmotorer används ofta för att driva enheter som motorsågar och motorcyklar. Även om nanoskalaversionen också är mycket kraftfull, dess potentiella tillämpningar i nästa generations nanoenheter skulle naturligtvis vara mycket annorlunda.

Även om design av mikro/nanomotorer ofta är inspirerade av makroskopiska motorer, detta är den första nanomotorn som efterliknar en förbränningsmotor, trots den utbredda användningen av två- och fyrtaktsmotorer sedan 19 ^th århundrade.

Forskarna Jong Hak Lee, et al., från Prof. Barbaros Özyilmaz grupp vid Graphene Research Center vid National University of Singapore, har publicerat en artikel om den lilla grafenmotorn i ett nyligen utgåva av Nanobokstäver .

"Det fina med detta tillvägagångssätt är att vår motor är väldigt enkel och har praktiskt taget inga biprodukter (avgaser), Vi behöver inte heller särskilda arbetsvillkor; därför tror vi att detta är en livskraftig motor för nanomaskiner för olika applikationer, " berättade Lee Phys.org . "Liknande den i vardagliga fordon, en nanomotor eller rotor som kan generera riktningsrörelse på nanoskala är avgörande för nanomaskiner eller nanorobotapplikationer. Grafen har varit känt för att ha den högsta styrkan bland material, vilket är mycket användbart för denna applikation. Detta är första gången någon har utforskat grafen för sådana applikationer. Så, vi hoppas att vårt arbete kommer att inspirera andra grupper att komma med många fler potentiella applikationer."

Medan i en konventionell tvåtaktsmotor, en kolv rör sig upp och ner för att generera ett högt tryck, i det enatomtjocka lagret av grafen, grafenen är själv kolven. När en laserstråle bestrålar en fläck på grafenet, det får grafenet att bilda en liten kupolliknande blåsa. Att snabbt slå på och av lasern gör att blåsan upprepade gånger reser sig och blir platt igen, liknande en kolvs rörelse.

En del av anledningen till att detta fungerar är på grund av grafens unika mekaniska egenskaper, speciellt dess höga elasticitet och styrka. Men för att grafenmotorn ska fungera, forskarna var också tvungna att sätta in klorfluorid (ClF ₃ ) molekyler in i grafengittret. ClF ₃ molekyler och kolatomer i grafenet hålls samman av joniska kol-fluorbindningar.

När den utsätts för laserstrålen, dessa bindningar dissocierar, vilket leder till en snabb ökning av trycket mellan grafenet och dess substrat. Detta tryck är cirka 1 miljon Pa, vilket är flera gånger högre än medeltrycket för ett bildäck. Det höga trycket leder i sin tur till att det bildas en blåsa. Efter att lasern stängts av, ClF ₃ molekyler kemisorberar tillbaka till grafenet, jonbindningsreformen, trycket minskar, och blåsan försvinner.

Forskarna observerade att storleken på blåsan varierar med laserkraften. Till exempel, 0,32 mW lasereffekt resulterar i en blister med en diameter på cirka 550 nm. Över 8,5 mW upprepad cykling, trycket blir så högt och volymexpansionen så stor att blåsan spricker.

Forskarna visade att grafenmotorn visar exceptionell tillförlitlighet. Efter 10, 000 cykler, motorn fortsätter att fungera utan försämring. Grafenmotorn är också mycket energieffektiv.

I framtiden, forskarna skulle vilja förbättra motorn genom att utforska belysningsparametrar och på/av-hastighet, samt koppla motorn till en mållast. De hoppas också kunna undersöka dess olika potentiella tillämpningar.

"Som en enkel tillämpning av denna nanomotor, vi skulle kunna använda den här utbuktande rörelsen av grafennanomotorn som en pump eller ventil för en nanofluidapplikation, " sa Lee. "I slutändan, vår nya motor kan enkelt integreras i olika applikationer genom att kombinera MEMS- eller NEMS-tekniker för att överföra den genererade kraften till var och en av komponenterna. I framtiden, den kan enkelt implanteras i nanorobotar och andra nanomaskiner."

© 2014 Phys.org