הננו-מנוע הראשון בעולם נבנה על ידי קבוצה בראשות ד"ר אלכס זלטל באוניברסיטת קליפורניה בברקלי בשנת 2003, כ-15 שנים לאחר ייצור המיקרו-מנוע הראשון בעולם. מספר גישות הוצעו מאז לבניית ננו-מנוע. בשנת 2008 הוצגו שתי גישות, האחת ננו-מנוע המופעל באמצעות גרדיאנט תרמי והשנייה "טחנת רוח" המופעלת באמצעות אלקטרונים.
כוחות בסביבת הננו.
כוחות אלקטרו-סטטיים.
על פי חוק קולון, הכוח האלקטרו סטטי בין שני עצמים הוא ביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם.
על כן, כאשר עוסקים במרחקים קטנים של פחות ממיקרומטר אחד עשויים להיווצר כוחות גדולים משינויים קטנים בשני הגופים.
עם זאת, מטען חשמלי הכולל של הגוף משתנה ביחס ישר לגודלו ולכן גם הכוח החשמלי קטן בהתאם.
למרות היות הכוח האלקטרו-סטטי תלוי באופן ריבועי הופכי במרחק, כאשר אנו עוסקים במערכות ננו-אלקטרומכניות (NEMS), הוא מהווה אחד הכוחות העיקריים המשמשים לחישה ולהנעה. לדומיננטיות זו של הכוח האלקטרו-סטטי יתרונות וחסרונות ויש לתכנן את המערכת בהתאם לכך.
אחת הדרכים להתמודדות עם הקושי ביצירת מטען חשמלי גדול במערכות ננו הוא הגדלת מספר היחידות המייצרות את הכוח האלקטרו-סטטי.
חיכוך.
בדומה לכוח האלקטרו-סטטי, כוח החיכוך גם הוא תלוי ביחס ריבועי לגודל (המתבטא בשטח), אם כי במקרה זה הוא תלוי ביחס ישר ולא הפוך.
formula_1
כאשר:
כוח החיכוך הוא בעיה ידועה במערכות מכניות ללא תלות בגודלן, אך כאשר אנו עוסקים במערכות NEMS הוא יכול לגרום לבעיות רציניות ביותר אם לא מתחשבים בו כראוי בשלב התכנון, וזאת מכיוון שלחלק מהרכיבים במערכות אלו עובי של אטומים ספורים בלבד.
סיבה נוספת להיותו של כוח החיכוך כה דומיננטי במערכות NEMS הוא המבנה הטיפוסי של מערכות אלו. מערכות אלו בנויות לעיתים קרובות על משטחים חלקים במיוחד (ברמה האטומית) בשל שיטת הייצור הפלנארית ומכיוון שכוח החיכוך יחסי למספר האטומים היוצרים מגע אחד עם השני, שני משטחים שטוחים מאוד יוצרים כוח חיכוך הדומה למשטחים רגילים הגדולים בהרבה.
עם זאת, מחקרים בדינמיקה מולקולרית מראים כי החיכוך בננו-מנועים כמעט זניח עד שהמערכת מגיעה למהירויות מסוימות.
סימולציות שנערכו, מדגימות את החיכוך הנובע מפעולת ננו-מנועים ומעניקות לו הסבר.
בניגוד למוכר לנו ממערכות מקרו-סקופיות, המהירות בה הצינור הפנימי נע בתוך הצינור החיצוני איננה תלויה ביחס ישר בכוח המופעל עליה. מה שמתרחש בפועל הוא שהמהירות נישארת קבועה, ללא קשר לעליה בכוח המופעל, עד שהכוח מגיע לרמה מסוימת ואז המהירות עולה לערך גבוהה יותר ונשארת שם עד לעלייה מספקת נוספת בכוח המופעל על המערכת.
הסיבה לצורה מעניינת זו של התלות של המהירות בכוח היא תנאי תהודה הנוצרים בין מהירות הסיבוב של הצינוריות והפונונים במערכת הכללית.
הננו-מנוע הראשון.
הננו-מנוע הראשון דומה במידת מה לגרסה מוקטנת של מיקרו-מנוע. המנוע הורכב מפלטת זהב הסבה סביב הציר של MWNT (ננו-צינורית מרובת דפנות - multi-walled nanotube).
הקצוות של ה-MWNT מחוברות לשיכבת SiO2 אשר ממלאת את מקום שתי האלקטרודות בנקודות המגע.
שלושה מתגים מחוברים למנוע. ארבעה ספקי מתח מחוברים למערכת (אחד למנוע ואחד לכל אחד מהמתגים).
נמדדו באופן אמפירי סיבובי מנוע במהירות של 17 הרץ.
תהליך הייצור.
מערך ננו-מנועים.
בשל ההספק הנמוך המתקבל מכל מנוע בודד ישנו צורך ברור ביצירת מערך של מנועים שכאלו.
שיטות ייצור קיימות, כדוגמת chemical vapor deposition (CVD) מאפשרות מיקום מדויק של הננו-צינוריות על ידי גידול שלהם ישירות על גבי המצע.
עם זאת, שיטות אלו אינן מוצלחות במיוחד ביצירת MWNT באיכות גבוהה. כמו כן, CVD הוא תהליך המתבצע בטמפרטורות גבוהות ובכך מגביל את השימור בחומרים מסוימים במערכת.
תהליך הייצור מבוסס על ליתוגרפית קרן אלקטרונים, E-Beam Lithography.
טכניקת קשת פריקה.
טכניקה זו היא וריאציה של טכניקת קשת פריקה (arc-discharge technique) הסטנדרטית המשמשת לסינתזה של פולרן באטמוספירת גז אינרטי. כפי שנראה באיור, הניסוי מתבצע בכלי המכיל גז אינרטי כגון הליום, ארגון, וכו' הזורם בלחץ קבוע. פוטנציאל של כ-18 וולט מופעל על שתי אלקטרודות העשויות גרפיט (הקוטר של האנודה והקתודה הוא 6 מ"מ ו-9 מ"מ בהתאמה) המופרדות במרחק של 1–4 מ"מ בדרך כלל בתוך התא. הזרם, בדרך כלל 50–100 אמפר, מועבר דרך האלקטרודות. היווצרות הננו-צינוריות תלויה בממדים של האלקטרודות, מרחק ההפרדה ביניהן והגז אינרטי בשימוש.
כתוצאה מכך, אטומי הפחמן נפלטים מהאנודה ומונחים על הקתודה וכך מקטינים את המסה של האנודה ומגדילים את המסה של הקתודה. המשקע הפחמני השחור (תערובת של ננו-חלקיקים וננו-צינוריות ביחס של 1:2) גדל בחלק הפנימי של הקתודה ואילו קליפה אפורה מתכתית קשיחה נוצרת בצד החיצוני. הכמות הכוללת של הננו-צינוריות הנוצרת באופן יחסי מחומר הגלם מגיעה לשיאה בלחץ של 500 טור ובלחץ זה 75% ממוט הגרפיט הגולמי מומר לננו-צינוריות.
הננו-צינוריות נוצרות בטווח קוטר של 2–20 ננומטר ואורך של כמה מיקרומטרים אחדים.
ישנם מספר יתרונות של בחירה בשיטה זו על פני שיטות האחרות, כגון אבלציה לייזר ו- chemical vapor deposition כגון פחות פגמים מבניים (עקב טמפרטורת צמיחה גבוהה), תכונות חשמליות, מכניות ותרמיות טובות יותר, קצב ייצור גבוה (כמה מאה מ"ג בעשר דקות) ועוד.
טכניקת פריקה חשמלית.
סינתזה של צינורות פחמן בקנה מידה גדול מביאה בדרך כלל לשיעור משתנה באופן אקראי של סוגים שונים של ננו-צינוריות פחמן.
חלקם עשוי להיות מוליכים למחצה בעוד שאחרים עשויים להיות מתכתיים בתכונות החשמליות שלהם.
רוב היישומים דורשים שימוש בסוגים מסוימים של צינורות כאלה. טכניקת פירוק חשמלית (Electrical-breakdown technique) זו מספקת כלים להפרדה ובחירת סוג רצוי של ננו-צינוריות.
צינורות פחמן ידועים בעמידותם לצפיפויות זרם גדולות מאוד של עד formula_2 בין היתר בשל קשרי סיגמא החזקים בין אטומי הפחמן.
עם זאת, בזרמים גבוהים מספיק צינוריות נהרסות בעיקר עקב חמצון מהיר של השכבה החיצונית. התוצאה היא ירידת מוליכות חלקית הניתנת לזיהוי תוך מספר שניות.
הגברת הזרם גורמת לנפילות בדידות ומדרגות מרובות במוליכות (ראה איור) כתוצאה מכשל סדרתי של השכבות החיצוניות.
הזרם בMWNT מתקדם בדרך כלל בשכבה החיצונית ביותר בשל מגע הישיר בין השכבה הזו והאלקטרודות. הרס מבוקר של שכבות חיצוניות, מבלי להשפיע על השכבות הפנימיות של ה- MWNT מאפשר שליטה על מבנה הננו-צינוריות.
עקרון הפעולה.
הרוטור נבנה כך שיסתובב באמצעות עירור אלקטרו-סטטי. מתח סינוסואידלי בהזזת פאזה מוחל על המתגים S1, S2, ואות מתח בתדירות כפולה מוזן לS3. כמו כן, מתח DC מוכל ברוטור R כדלקמן:
על ידי העברת המתח הרציף דלעיל (פחות מ-5 וולט) צלחת הרוטור יכולה להימשך לstators אחד אחרי השני וכך לבצע סיבובים שלמים. הקרבה בין ה-stators וצלחת הרוטור היא אחת סיבות מדוע אין צורך בכוח גדול לעירור אלקטרוסטטי. היפוך המתח גורם לרוטור להסתובב בכיוון ההפוך.
ננו-מנועים על בסיס גרדיאנט תרמי.
ננו-מנוע זה, כפי המוצג באיור, כולל שתי אלקטרודות מחוברות דרך MWNT ארוך. פלטת זהב משמשת בתור מטען ומחוברת לננו-צינורית קונצנטרית קצרה יותר ורחבה יותר. המטען נע לעבר האלקטרודה הקרה יותר בשל ההפרש התרמי בננו-צינורית הארוכה יותר הנגרם על ידי הזרם הגבוה שעובר דרכה. המהירות המרבית שהושגה הייתה בערך מיקרומטר אחד לשנייה, מהירות דומה למהירויות שהושגו באמצעות biomotors kinesin.
תהליך הייצור.
ה-MWNT מיוצרים באמצעות תהליך אידוי קשת פריקה הסטנדרטי ומונחים על מצע סיליקון מחומצן. צלחת הזהב במרכז ה-MWNT מעוצבת באמצעות שימוש בליתוגרפיה של אלומת אלקטרונים ואידוי Cr / Au. במהלך אותו התהליך, האלקטרודות מחוברות לננו-צינורית.
לבסוף, נעשה שימוש בטכניקה של electrical-breakdown כדי להסיר באופן סלקטיבי מספר קירות חיצוניים של ה-MWNT.
בדומה לאופן הפעולה של הננו-מנוע הראשון לעיל, זה מאפשר סיבוב ותנועה קווית עם חיכוך נמוך של הננו-צינורית הקצרה יותר על גבי הננו-צינורית הארוכה יותר.
היישום של טכניקת electrical-breakdown לא מביא לפירוק של הWMNT באזור שמתחת למטען. ייתכן והדבר ניגרם בשל כך שמטען המתכת סופג את החום שנוצר בננו-צינורית בסביבה הקרובה שלו וכך גורם לעיכוב או אולי אף למניעה של חמצון הננו-צינורית בחלק זה.
אופן הפעולה.
האינטראקציה בין הצינורות הארוכים וצרים לבין הצינורות הקצרים והרחבים יוצרת משטח אנרגיה המגביל את התנועה למסלולים ספציפיים - טרנסלציה ורוטציה.
המידה של תנועת הטרנסלציה והסיבוב של הצינור הקצר יותר תלויה במידה רבה על התאמה של שני הצינורות כפי שמוצג באיור. תנועה בnanoactuator מדגימה נטייה של הצינור הקצר יותר ללכת במסלול של אנרגיה מינימלית. במסלול זה יכולה להיות אנרגיה בערך קבוע או סדרה של מחסומים.
במקרה הראשון, ניתן להזניח את החיכוך ואת הוויברציה של האטומים ואילו בתנועה בצעדים לא ניתן לעשות זאת.
תנועה בצעדים.
ניתן להסביר את התנועה בשלבים על ידי קיומם של מחסומי אנרגיה מחזוריים לתנועה היחסית בין הצינורות הארוכים יותר וקצרים יותר. לזוג נתון של צינורות, היחס של הצעד בסיבוב לצעד בטרנסלציה הוא בדרך כלל קבוע, שהערך שלו תלוי בכירליות של הצינוריות.
האנרגיה של מחסומים כאלה יכולה להיות מוערכות מהטמפרטורה בצינוריות. ניתן להגדיר חסם תחתון עבור אנרגיה זאת אותו ניתן להעריך כטמפרטורת ההתכה של זהב (1300 קלווין) וזאת מכיוון שציפוי הזהב מותך (ראה איור) ויוצר מבנה כדורי כאשר הזרם עובר דרך הננו-מנוע.