Winzige Motoren machen einen großen Schritt nach vorne

Motoren sind allgegenwärtig in unserem täglichen Leben – vom Auto bis zur Waschmaschine. Ein futuristisches Wissenschaftsfeld arbeitet an winzigen Motoren, die ein Netzwerk von Nanomaschinen antreiben und einige der Energiequellen ersetzen könnten, die wir heute in Geräten verwenden.

In neuen Forschungsergebnissen, die kürzlich in veröffentlicht wurden ACS-Nanohaben Forscher der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin den ersten optischen Festkörper-Nanomotor entwickelt. Alle früheren Versionen dieser lichtbetriebenen Motoren befinden sich in irgendeiner Art von Lösung, die ihr Potenzial für die meisten realen Anwendungen einschränkte.

„Das Leben begann im Wasser und bewegte sich schließlich an Land“, sagte Yuebing Zheng, außerordentlicher Professor am Walker Department of Mechanical Engineering. „Wir haben diese Mikro-Nanomotoren, die schon immer in Lösung gelebt haben, an Land in einem festen Zustand hergestellt.“

Die Forscher stellen sich vor, dass diese Motoren eine Vielzahl von Dingen antreiben. Die Drehbewegung könnte Staub und andere Partikel aufnehmen, was sie für die Messung der Luftqualität nützlich macht. Sie könnten Geräte zur Medikamentenverabreichung im menschlichen Körper antreiben. Und sie könnten winzige Drohnen für Überwachung und Messungen sowie andere Minifahrzeuge antreiben.

Der neue Motor ist weniger als 100 Nanometer breit und kann sich unter Lichteinstrahlung auf einem festen Substrat drehen. Es kann als kraftstoff- und getriebeloser Motor dienen, um Licht in mechanische Energie für verschiedene mikro-/nanoelektromechanische Festkörpersysteme umzuwandeln.

Diese Nanomotoren sozusagen an Land und aus dem Wasser zu bringen, vermeidet Brownian Motion, eine der größten Hürden, die die Implementierung dieser Geräte verhindern. Es passiert, wenn Wassermoleküle diese kleinen Motoren aus ihrer Drehung drängen. Je kleiner der Motor, desto stärker wird diese Bewegung. Das Entfernen der Lösung von der Gleichungsseite löst dieses Problem vollständig.

Nanomotoren sind Teil eines großen und wachsenden Feldes von Miniaturstromquellen. Sie dienen als Mittelweg zwischen molekularen Maschinen am kleineren Ende und Mikromotoren am größeren Ende.

Das Gebiet ist von immensem Interesse, aber an diesem Punkt versuchen Forscher immer noch, die grundlegende Wissenschaft herauszufinden, um diese winzigen Motoren durch gesteigerte Effizienz lebensfähiger zu machen.

Der Grund, warum Wissenschaftler so begeistert von der Entwicklung dieser winzigen Motoren sind, liegt darin, dass sie einige der wichtigsten biologischen Strukturen nachahmen. In der Natur treiben diese Motoren die Teilung von Zellen an und helfen ihnen, sich zu bewegen. Sie verbinden sich, um Organismen bei der Bewegung zu helfen.

„Nanomotoren helfen uns, die Nanowelt präzise zu kontrollieren und neue Dinge zu erfinden, die wir uns für unsere reale Welt wünschen“, sagte Jingang Li, Ph.D. Absolvent von Zhengs Gruppe und Hauptautor dieser Studie.

Indem diese Motoren aus der Lösung genommen und auf Chips platziert werden, haben sie das Potenzial, in einigen Fällen Batterien zu ersetzen, indem sie nur Licht verwenden, um mechanische Bewegungen und Leistungsgeräte zu erzeugen.

Dieser Durchbruch ergibt sich aus einem neuartigen Design: einer dünnen Schicht aus Phasenwechselmaterial auf dem Substrat. Der dünne Film kann bei Lichteinwirkung lokal und reversibel von der festen in eine quasi-flüssige Phase übergehen. Dieser Phasenwechsel kann die Reibungskraft der Nanomotoren reduzieren und treibt die Rotation an.

Dies war die erste Demonstration des Teams von Motoren mit Nanopartikeln. In Zukunft werden die Forscher ihre Kreation weiter verbessern und an der Leistungssteigerung arbeiten, indem sie sie stabiler und kontrollierbarer machen, was dazu führt, dass Licht mit höheren Raten in mechanische Energie umgewandelt wird.