موتورهاي دنياي نانو

[SURENA]

دنياهاي خيلي کوچک درحال دريافت يک ماشين پر قدرت است.
دانشمندان آزمايشگاه برکلي موفق به ساخت کوچک‌ترين موتور الکتريکي جهان شده‌اند که ممکن است در آينده از آن به عنوان موتور محرك در نانوابزارهاي راه رونده، خزنده، شناگر و پرواز كننده استفاده شود.
شكل1: با اضافه شدن نانوپايه‌ها و نانوبال‌ها به اين موتور و استفاده از نسل آينده نانولوله‌ها در آن مي‌توان آنها را به ابزارهايي به سرعت و چابكي مگس تبديل كرد. اگر چه هنوز تصميم‌گيري درباره اين كه اين موتور چه چيزي را حمل كند خيلي زود است- شايد پروب دارورسان به نقطه‌اي داخل بدن و يا نانوبوكت بالدار براي كشف مواد منفجره- اما مي‌توان گفت در اين محفظه ريز توان بسيار زيادي نهفته است. طول اين موتور 200 نانومتر است اما چگالي توان آن 100 ميليون برابر بيشتر از يك موتور شش سيلندر با قدرت 225 اسب بخار است.
اين قدرت زياد مربوط به كشش سطحي است. همان نيروي چسبندگي بين مولکول‌هاي مايع که اجازه تشكيل حباب روي سطح آب را داده، باعث حركت حشرات روي آب مي‌شوند. كريس رگان، عضو بخش علم مواد آزمايشگاه برکلي، كه با همكاري گروهي از محققان علم و مواد موفق به ساخت اين موتور شده‌اند مي‌گويد: ”هر چه اندازه جسم كوچك‌تر شود كشش سطح از اهميت بيشتري برخوردار خواهد شد و در ابعاد نانو اين كشش سطحي غالب است.“ اين محققان از ابزار و وسايل مبتني بر نانولوله‌هاي کربني استفاده كردند. سال گذشته دانشمندان آزمايشگاه برکلي روشي براي حرکت ذرات اينديم در طول اين لوله‌ها ارائه دادند كه مانند حركت قطعات در يک خط مونتاژ مي‌باشد. نوار نانومقياس انتقال دهندة آنها مي‌تواند هر جايي که دانشمندان بخواهند جرمي را به صورت اتم به اتم به آن برسانند قرار گيرد، كه شرط لازم ساخت ابزار قدرتمند نانوسامانه‌اي است.
اين دانشمندان نوارهاي انتقال دهنده را به يک موتور کوچک با قدرت خيلي زياد منتقل کرده‌اند. براي ساخت اين موتور، دو قطره اينديم مذاب، يکي کوچک و يکي بزرگ در کنار يکديگر بر روي يک نانولوله کربني قرار داده مي‌شوند. سپس يک جريان الکتريکي به داخل نانولوله فرستاده مي‌شود. اين جريان باعث مي‌شود که اتم‌هاي اينديم قطرة بزرگ به سمت قطرة کوچک‌تر حركت كنند، رشد قطرة کوچک تا رسيدن به قطرة بزرگتر ادامه يافته، آنگاه كشش سطحي اتفاق مي‌افتد. در زماني کمتر از يک نانو ثانيه قطرة کوچک به قطرة بزرگ متصل شده، اثري از قطرة کوچک باقي نمي‌ماند.
رگان مي‌گويد: ”اين پديده همانند برخورد دو مهره با يکديگر كه رويدادي پر انرژي است مي‌باشد، در واقع به اين ترتيب مقدار زيادي انرژي به داخل سيستم وارد و به سرعت آزاد مي‌شود.“
بعد از اين مرحله دوباره همين چرخه تکرار مي‌شود. اتم‌هاي قطرة بزرگ به اتم‌هاي قطرات کوچک مجاور منتقل شده و يک‌بار ديگر به مجرد تماس دو قطره با هم اتم‌هاي قطرة کوچک به قطرة بزرگ‌تر منتقل شده اثري از قطره كوچك نمي‌ماند. شكل2: اين شكل‌هاي صامت رايانه‌اي طرز كار كوچك‌ترين موتور جهان را نشان مي‌دهد، قطرة بزرگ تعدادي از اتم‌هاي خود را به قطره كوچك‌تر مي‌دهد. با اين كار قطره كوچك‌تر رشد كرده، به قطرة بزرگ‌تر رسيده و با آن يكي مي‌شود.
در واقع اين عمل تقليدي است از حركت سريع عقب و جلو که بسياري از حيوانات براي راه رفتن، شنا کردن و پرواز به کار مي‌برند. براي مثال، يک مگس مانند هواپيما پرواز نمي‌کند. پرواز در اثر حرکت سريع‌تر بال‌هايش در يک جهت خاص نسبت به جهات ديگر است. كه اين جريان باعث ايجاد گردابي مي‌شود كه مگس را بلند مي‌كند. و حركت يک شناگر در آب نيز به دليل آن است که فشار در دو جهت جلو بيشتر از فشار در جهت عقب است. به همين ترتيب اگر بتوان حرکت سريع و کند موتور را به نانوپايه‌ها و نانوباله‌هاي آن منتقل نمود. نانوابزارهايي را در اختيار خواهيم داشت كه با همان سرعت و چابكي ماهي و يا مگس حركت كنند.
يک بستة انرژي بسيار كوچك
به گفته رگان از موتور ابداعي آنها مي‌توان به عنوان لوكوموتيو كشنده در ابعاد نانومتري هم استفاده نمود زيرا نسبت به اندازة خود قدرتمند است. قدرت اين موتور ناشي از كشش سطحي حاصل از توان ضربه‌اي موتور است که هنگام از هم‌پاشيدگي قطره کوچک ايجاد مي‌شود.
اين كشش سطحي با کوچک‌تر شدن اندازه ذره اهميت بيشتري مي‌يابد و علت آساني استفاده حشرات از اين كشش سطحي هم‌ همين مورد مي‌باشد.
حتي برخي از حشرات به اين روش حباب‌ها را براي تنفس خود به‌ درون آب مي‌برند.
به بيان ديگراين كشش سطحي بيش از آن كه براي انسان‌ها مهم باشد براي حشرات با ابعاد ميلي‌متري اهميت دارد كه اين اهميت در ابعاد ميكرون بيشتر هم مي‌شود. از اين رو است كه دانشمندان از آن در ساخت وسايل ميکروالکترو مکانيکي براي اندازه‌گيري يك ميليونيم متر استفاده مي‌كنند. در ابعاد نانو اهميت كشش سطحي به حد اعلاي خود مي‌رسد.
موتور ابداعي محققان آزمايشگاه برکلي تواني معادل 20 ميکرو وات را هنگامي كه كشش سطحي باعث از بين رفتن قطرة كوچك مي‌شود مصرف مي‌كند که نشان‌دهنده توان ويژه‌اي بسيار كمتر از توان مصرفي موتورهاي عادي است.
علاوه بر اين سرعت موتور را مي‌توان با تغيير ولتاژ جريان DC كه باعث حركت اتم‌هاي اينديم از يك قطره به قطره ديگر مي‌شود كنترل نمود.
بر اين اساس هر چه ولتاژ پايين‌تر باشد سرعت انتقال اتم‌ها کمتر بوده و نوسان قطره‌ها نيز كندتر مي‌شود و ولتاژهاي بالاتر مي‌تواند فركانس موتور را تا حد مگاهرتز افزايش دهد. كه اين بدان معني است که قطره‌ها در هر ثانيه بيش از يک ميليون بار نوسان مي‌کند. توليد چنين فرکانسي با ولتاژ DC به معناي آن است كه مي‌توان بدون نياز به جريان فركانس بالا، انرژي لازم براي اين موتور را با يک باتري و يا پيل خورشيدي تأمين نمود. به اين ترتيب اين موتور به وسيله‌اي ايده‌آل براي کاربرد در وسايل متحرك كوچك، تبديل مي‌شود.
اين موتور همچنين اولين نوسانگر با فاز لخت1 حاصل است.
نوسانگرهاي لخت2 با دو مقياس زماني مشخص مي‌شوند، ايجاد آهسته كشش و به دنبال آن تخليه سريع انرژي. يک شير آب چكه‌ كننده نمونه‌اي از چنين نوسانگري است كه در اين مورد، كشش سطحي در مرحله ايجاد قطرات آب اهميت دارد، به طوري كه كشش سطحي تا زماني كه جاذبه بر آن غلبه نكند، از تشكيل قطرات بعدي جلوگيري مي‌كند.
در موتور نانومقياس الکتريسيته، باعث ذخيره انرژي و كشش سطحي باعث آزاد شدن سريع آن مي‌شود.
رگان مي‌گويد: ”اين كار سريع، ساده و خيلي قدرتمند انجام مي‌شود. به علاوه آن كه يك ركورد جهاني در زمينه مكانيك پيچيدة تركيبي به شمار مي‌آيد. ما در اين موتور دو قسمت متحرک داريم كه در جعبه‌اي با اندازه 200 نانومتر قرار گرفته و هيچ ماشين ساخته بشر اين قدر کوچک نيست».
سرمايه‌گذاري اين پروژه را بنياد ملي علوم و وزارت انرژي آمريكا انجام داده است.