Som en av de enklaste och minsta av alla motorer, ett dubbelväggigt kolnanorör (DWCNT) med ett roterande innerrör och ett fast ytterrör kan en dag spela en stor roll i en mängd framtida nanoenheter. I en ny studie, forskare har studerat innerrörets rotationsbeteende hos en DWCNT-motor vars rörelse induceras av en relativt hög enhetlig temperatur.

Forskarna, K. Cai, et al., vid Northwest A&F University i Yangling, Kina, och Australian National University i Acton, Australien, har publicerat sin uppsats om DWCNT roterande motorer i ett nyligen numret av Nanoteknik .

Som forskarna förklarar, DWCNTs har potential att fungera som effektiva motorer på grund av deras kombination av två viktiga egenskaper:den stora styrkan hos varje enskilt rör på grund av dess starka kovalenta bindningar, och den svaga interaktionen mellan de två intilliggande rören på grund av frånstötande van der Waals-interaktioner.

Som tidigare forskning har visat, det inre röret kan röra sig inuti det yttre röret genom antingen rotations- eller translationsrörelse (förflyttning framåt och bakåt). Ofta, dessa två typer av rörelse kombineras så att röret följer en spiralformad bana. Innerrörets specifika rörelsespår bestäms av dess atomära interaktion med det yttre röret. Tidigare studier har avslöjat olika rörelserelaterade fenomen av DWCNTs på nanoskala, såsom försvinnande liten friktion och en drivkraft som är proportionell mot temperaturgradienter.

I den nya studien, forskarna har visat i simuleringar att rotation i en DWCNT-motor kan induceras av en gradientlös, enhetlig temperatur. Vid ungefär rumstemperatur (300 K), innerröret förlorar sin geometriska symmetri, får den att rotera. Forskarna undersökte tre faktorer som påverkar rotationen av innerrören:miljötemperaturen, längden på den fasta delen av det yttre röret, och mellanrörsgapet.

Med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik, forskarna fann att innerrörets rotationsfrekvens ökar vid en temperatur på 300 K jämfört med lägre temperaturer, eftersom det inre röret får högre kinetisk energi. Rotationsfrekvensen ökar också när ytterrörets fulla längd är fixerad eftersom detta skapar högre vridmoment på innerröret. Och slutligen, rotationsfrekvensen ökar när mellanrörsgapet är nära ett kritiskt avstånd mellan två grafenark, i detta fall 0,335 nm. När gapet är mindre än detta, friktionen mellan rören ökar, och när gapet är större, det finns en svagare interaktion mellan rören som minskar rotationsrörelsen.

Med fortsatt arbete, en gradientlös, temperaturdriven roterande motor gjord av en DWCNT kan ha breda tillämpningar i nästa generation av nanoelektromekaniska system (NEMS).

"Jämfört med alla andra nanomotorer, t.ex., elmotorer och fluidgasdrivna motorer, termiska DWCNT-motorer är enklare, mindre och lättare att använda, " berättade Cai Phys.org . "Särskilt, rotationsfrekvensen för det inre röret är bred, som skulle kunna användas för meddelandeöverföring i elektromagnetiska nanoenheter, som strömbrytare, minnen, etc."

I framtiden, forskarna planerar att göra ytterligare förbättringar av motorn.

"En robust DWCNT-motor bör utformas, " sa Cai. "Till exempel, nanostrukturen ska vara stabil, rotationstillståndet bör vara justerbart med hög noggrannhet och med mätning av det lokala elektromagnetiska fältet."

© 2014 Phys.org