Одним из краеугольных камней в разработке перспективных наноустройств для их дальнейшего использования в медицине, технике, биотехнологиях до последнего момента оставалось создание нанодвигателей, а точнее, энергоэффективного источника питания для нанодвигателей. О некоторых ощутимых успехах в создании таких нанодвигателей доложили научному сообществу ученые Кембриджского университета.
Свои двигатели специалисты назвали ANT (actuating nano transduser), и для управления ими вовсе не понадобится присутствие миниатюрного пилота, как это имело место во многом пророческой научно-фантастической киноленте Фантастическое путешествие, выпущенной в прокат в далеком 1966 году. Созданные в лаборатории Кембриджа нанодвигатели будут управляемыми дистанционно и, подобно микроскопическим муравьям, окажутся способны вырабатывать энергию и переносить на нужное расстояние полезный груз, превосходящий по величине вес их собственного «тела».
Как это работает
Принцип работы нанодвигателя ANT во многом сходен с принципом действия пружинного механизма. Основа двигателя – некоторое множество золотых наночастиц, соединенных между собой в определенную конфигурацию гелеобразным веществом на основе полимера, чутко реагирующего на изменение температуры. Посредством направленного лазерного излучения наночастицы нагреваются, что приводит к повышению температуры всей структуры и, как следствие, удалению молекул воды из полимера. Процесс протекает очень быстро и сопровождается сжатием «тела» нанодвигателя подобно механической пружине. Таким образом, поглощенная энергия света аккумулируется в виде упругой механической энергии сжатой «нанопружины».
Отключение источника света (в нашем случае лазера) приводит к столь же стремительному остыванию тела ANT нанодвигателя и поглощению воды из окружающей среды. Вследствие этого происходит обратный процесс – гелеобразный полимер практически мгновенно увеличивается в объеме, высвобождая накопленную энергию световых квантов. Золотые наночастицы, действуя как катализатор, позволяют увеличить интенсивность процесса и абсолютное значение создаваемой двигательной силы. Опять же, критически важно, что процесс расширения нанодвигателя (как и его сжатия) происходит за доли секунды и подобен микровзрыву.
Самое непосредственное влияние на эффективность работы наномеханизма оказывают ван-дер-вальсовы силы, действующие на уровне молекул вещества. Практически не ощутимые на макроуровне в повседневной жизни, на уровне наноразмеров их влияние оказывается весьма и весьма весомо. Именно благодаря силам Ван-дер-Ваальса ящерицы гекконы обретают удивительную способность стремительно перемещаться по стенам и потолку из полированного стекла, контактируя с поверхностью сотнями тысяч миниатюрных волосинок, покрывающих их конечности.
Созданные учеными нанодвигатели ANT накапливают энергию светового потока, трансформируя большую ее часть в энергию притяжения наночастиц из тяжелого металла и молекул гелеобразного полимера. И здесь очень важно, что энергия, образующаяся в момент разрыва образовавшихся связей оказывается в разы выше, нежели та, которая была бы накоплена вследствие разового сжатия материала, не обладающего способностью к непрерывному накоплению энергии в течение определенного временного промежутка. Именно за счет этой разницы и совершается полезная работа, необходимая для выполнения поставленной задачи.
Существующие ограничения разработки
К сожалению, найдя способ эффективно аккумулировать и высвобождать энергию на уровне наномеханизма ученые пока еще не отыскали способа фокусировать энергетический поток в каком-то одном нужном направлении, что необходимо для целенаправленного движения. На сегодня это пока последнее препятствие, отделяющее научное сообщество от создания управляемых нанодвигателей, способных приводить в движение крошечных нанороботов, а по большому счету – от использования последних в качестве транспортных средств для доставки лекарственных препаратов, дистанционно управляемых инструментов при проведении микрохирургических операций и пр.
Вместе с тем, полученные результаты позволяют ученым Кембриджского университета, используя ANT – нанодвигатели уже сегодня приступить к разработке управляемых насосов и клапанов, задействованных в микропотоковых жидкостных чипах, которые будут использоваться в лабораториях-на-чипе, биодатчиках и в перспективном диагностическом оборудовании нового поколения.
На этом всё, с вами был простой сервис для выбора сложной техники Dronk.Ru. Не забывайте подписываться на наш блог, будет ещё много интересного…
