Графеновый нано-двигатель02.05.2014 06:18

Эта неделя оказалась урожайной на новости, связанные с прикладными применениями графена и других нано-материалов. Сначала был ультратонкий транзистор, теперь в том же журнале Nano Letters опубликовали статью о разработке молекулярного нано-двигателя, в котором графеновый слой играет ключевую роль. Этот двигатель состоит из высоко-эластичной мембраны, играющей роль поршня, и молекул ClF3, являющихся рабочим телом. Объем рабочего тела изменяется под воздействием лазера. Нано-двигатель развивает давление до 106 Па и выдерживает более 10 000 циклов. Двигатель состоит из частицах графена с включениями ClF3. Между атомами углерода и молекулами ClF3 возникают химические связи C-F, которые могут легко диссоциировать. В частности, эти связи разрушаются при облучении лазером с длиной волны 532 нм. Разрушение связей приводит к к тому, что молекулы пытаются «отодвинуться» от атомов углерода. В результате давление под слоем графена возрастает, графен отделяется от подложки, и происходит формирование блистера (пузырька). При отключении лазера, графен быстро возвращается в сове первоначальное плоское состояние, поскольку реакционная способность ClF3 очень высока, и он снова образует связи с атомами углерода. Быстрое увеличение объема под слоем графена эквивалентно расширению рабочего тела и движению поршня в двигателе внутреннего сгорания. Ключевыми параметрами, определяющим мощность двигателя, являются давление, которое он способен выдержать, которое, в свою очередь, зависит от модуля упругости материала мембраны, газопроницаемости мембраны и ее адгезии к подложке. В графене, обработанным жидким ClF3 формируются ионные связи между фтором и углеродом, в результате чего формируется положительный заряд, составляющий 1/6 дырки на каждый атом фтора. Такие ионные связи могут быть легко разрушены, поскольку обладают весьма небольшой энергией ~ 54 кДж/моль. Это примерно в десять раз меньше, чес энергия ковалентной связи C-F. Когда квазистабильная молекула ClF3 теряет свою ионную связь, это приводит к переходу ClF3 в газовую фазу и быстрому увеличению давления. По оценке исследователей, внутреннее давление составляет ~ 23 МПа. Такое давление достаточно для локального отделения графена от подложки. Благодаря высокой прочности графена, модуль Юнга которого может достигать 1 ТПа, и низкой газопроницаемости, весь газ остается внутри пузырька. Структурный анализ графена показал, что даже после 10 тысяч циклов, никаких структурных нарушений не происходит. Авторы считают, что характеристики такого двигателя могут быть существенно улучшены путем оптимизации параметров лазерного импульса, диаметра пучка, а также подбором наиболее эффективного «рабочего тела».К сожалению, доступ к полному тексту статьи платный, но на сайте журнала свободно доступны дополнительные материалы.______________________