ננו-מנוע

ננו-מנוע הוא רכיב בסדר גודל של ננומטרים ספורים המפיק תנועה קווית או סיבובית. קיימים מספר ננו-מנועים מסוג זה בטבע אולם אפשרויות השימוש בהם במערכות מלאכותיות מוגבלות בשל רגישותם לתנאי הסביבה (רמת חומציות, מקורות אנרגיה וכדומה). לעומת זאת, ננו-מנועים מלאכותיים הדומים לאלו הטבעיים ניתנים לייצור במעבדה באופן עמיד בהרבה לתנאי הסביבה. ננו-מנועים אלו מסוגלים לפעול בטווח רחב של טמפרטורות ומגוון רחב של סביבות כימיות. ההבדלים בין הכוחות הדומיננטיים בתחום הננו לאלו הפועלים בעולם המקרו מאפשרים יצירת ננו-מנועים בעלי מאפיינים ייחודיים. המאפיינים הייחודיים של ננו-צינוריות פחמן הופכים אותם לאטרקטיביים במיוחד ליצירת ננו-מנועים שכאלו כחלק מהתקני NEMS, מערכת ננו-אלקטרומכנית (Nano Electro Mechanical System). 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. 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. בדומה לכוח האלקטרו-סטטי, כוח החיכוך גם הוא תלוי ביחס ריבועי לגודל (המתבטא בשטח), אם כי במקרה זה הוא תלוי ביחס ישר ולא הפוך. F ∝ A {\displaystyle F\propto A} כאשר: F הוא כוח החיכוך. A הוא השטח. 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 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. בשל ההספק הנמוך המתקבל מכל מנוע בודד ישנו צורך ברור ביצירת מערך של מנועים שכאלו. שיטות ייצור קיימות, כדוגמת ריבוץ אדים כימי (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, ליתוגרפיית E-Beam. 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 וריבוץ אדים כימי כגון פחות פגמים מבניים (עקב טמפרטורת צמיחה גבוהה), תכונות חשמליות, מכניות ותרמיות טובות יותר, קצב ייצור גבוה (כמה מאה מ"ג בעשר דקות) ועוד. 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 פריצה חשמלית (Electrical-breakdown) זו מספקת כלים להפרדה ובחירת סוג רצוי של ננו-צינוריות. צינורות פחמן ידועים בעמידותם לצפיפויות זרם גדולות מאוד של עד 10 9 A / c m 2 {\displaystyle 10^{9}A/cm^{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 ב־MWNT 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. הרוטור נבנה כך שיסתובב באמצעות עירור אלקטרו-סטטי. מתח סינוסואידי בהזזת פאזה מוחל על המתגים S1, S2, ואות מתח בתדירות כפולה מוזן ל־S3. כמו כן, מתח DC מוכל ברוטור R כדלקמן: S 1 = V 0 s i n ( ω t ) {\displaystyle S_{1}=V_{0}sin(\omega t)} S 2 = V 0 s i n ( ω t − π ) {\displaystyle S_{2}=V_{0}sin(\omega t-\pi )} S 3 = V 0 s i n ( 2 ω t + π / 2 ) {\displaystyle S_{3}=V_{0}sin(2\omega t+{\pi /2})} R = − V 0 {\displaystyle R=-V_{0}} על ידי העברת המתח הרציף דלעיל (פחות מ-5 וולט) צלחת הרוטור יכולה להימשך לסטטורים (stators) אחד אחרי השני וכך לבצע סיבובים שלמים. הקרבה בין הסטטורים וצלחת הרוטור היא אחת סיבות מדוע אין צורך בכוח גדול לעירור אלקטרוסטטי. היפוך המתח גורם לרוטור להסתובב בכיוון ההפוך. לוחית המתכת המסתובבת יכולה לשמש כמראה למכשירים אופטיים סופר-מהירים. מערך של ננו-מנועים שכאלה אשר כל אחד מהם משמש כמסנן מכני בתדירות גבוהה, יכול לשמש לעיבוד אותות מקבילי בתחום התקשורת. הלוחית יכולה לשמש כמשוט להזרמת או לגילוי זרם של נוזלים ביישומים מיקרו-פלואידיים. רכיב זה יכול לשמש כמרכיב ביו מכני במערכות ביולוגיות, זרז מגודר בתגובות כימיות נוזליות או כאלמנט חיישן כללי. לוחית מתכת טעונה יכולה לשמש כמשדר של קרינה אלקטרומגנטית. 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 "kinesin biomotors". 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 של זהב או כרום. במהלך אותו התהליך, האלקטרודות מחוברות לננו-צינורית. לבסוף, נעשה שימוש בטכניקה של פריצה חשמלית 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 הפריצה החשמלית לא מביא לפירוק של ה־WMNT 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. 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 בננו-אקטואטור 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. 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 (1,300 קלווין) וזאת מכיוון שציפוי הזהב מותך (ראה איור) ויוצר מבנה כדורי כאשר הזרם עובר דרך הננו-מנוע. שיעור התנועה γ יכול להיכתב כפונקציה של התדר ω {\displaystyle \omega } , של קבוע בולצמן k, ו-T הטמפרטורה: Γ = ω 2 π e − Δ E k T {\displaystyle \Gamma ={\omega \over 2\pi }e^{{-\Delta E} \over kT}} ונשתמש בקירוב: ω = Δ E m a 0 2 {\displaystyle \omega ={\sqrt {\Delta E \over {ma_{0}^{2}}}}} ונקבל: Γ ≈ 1 H z {\displaystyle \Gamma \approx 1Hz} כאשר: m {\displaystyle m} – מסת המטען. a 0 2 {\displaystyle a_{0}^{2}} – שטח המגע. מניחים מחסום אנרגיה של 17 מיקרו אלקטרון וולט לכל אטום. הועלו השערות רבות על מנת להסביר את המנגנון המניע את הננו-מנוע בו אנו עוסקים. הזרם הגבוה (0.1 mA) הנדרש להפעלת התהליך עלול לגרום לפיזור מספיק כדי לנקות את פני השטח של חומרים מזהמים, ולכן, פוסל את האפשרות של מזהמים המשחקים תפקיד מרכזי בתהליך. האפשרות של אלקטרו-מיגרציה (electromigration), שבו אלקטרונים מניעים זיהומים אטומיים באמצעות העברת מומנטום עקב התנגשויות, גם היא נפסלה וזאת משום שהיפוך כיוון הזרם לא השפיע על הכיוון של התנועה. בדומה לכך, מקורה של התנועה סיבובית לא יכול להיות שדה מגנטי מושרה וזאת מכיוון שהזרם העובר דרך ננוצינוריות בגלל הרוטציה גם יכולה להיות מכיוונים שונים בהתאם למכשיר. השפעת שדה חשמלי חיצוני מיקרי, גם הוא, לא יכול להיות הגורם המניע משום שלוחית המתכת נישארה נייחת במכשירים בעלי התנגדות גבוהה גם תחת שדה חיצוני חזק במיוחד. לאור כל זאת, השיפוע התרמי בננו-צינורית מספק את ההסבר הטוב ביותר למנגנון המניע. התנועה של הצינור הקצר מוסברת כהיפוך של פיזור החום המתרחש בחיכוך בו הזזה של שני עצמים במגע מוביל לפיזור של חלק מהאנרגיה הקינטית כעירורי פונונים שנגרמו על ידי חיכוך המשטחים. נוכחותו של מפל טמפרטורות בננו-צינורית גורמת לזרם של פונונים מעוררים מהאזור החם לאזור הקר יותר. האינטראקציה של פונונים אלה עם אלמנטים ניידים (אטומי הפחמן בננו-צינורית הקצרה יותר) גורמת לתנועה של הננו-צינורית הקצרה. זה מסביר מדוע הננו-צינורית הקצרה נעה לעבר האלקטרודה הקרירה יותר. לשינוי כיוון הזרם אין כל השפעה על הצורה של המפל התרמי בננו-צינורית הארוכה יותר. לפיכך, כיוון התנועה של המטען אינו תלוי בכיוון הזרם החשמלי. התלות הישירה של המהירות של המטען לטמפרטורה של הננו-צינורית ניתנת לחישוב מכך שהמהירות של המטען יורדת באופן מעריכי ככל שהמרחק מנקודת האמצע של הננו-צינורית הארוכה עולה. הטמפרטורות והשיפוע התרמי שה-MWNT חשוף להם גבוהות מאוד. מצד אחד, נראה כי לשיפוע התרמי הגבוה יש השפעה מזיקה מאוד על החיים של ננו-מנועים שכאלה. מצד השני, ניסויים מראים כי ההזזה של הצינור הקצר יותר הוא ביחס ישר לשיפוע התרמית (ראה איור). לכן, יש למצוא את העמק השווה כדי לייעל את מפל הטמפרטורות. הממדים של הננו-צינורית הנעה קשורים באופן ישיר לגובה מחסום האנרגיה. אף על פי שהמודל הנוכחי מערר מודי פונון מרובים, עירור סלקטיבי של מודים של פונונים יאפשר הורדת טמפרטורת הפונונים. תעשיית התרופות והננו-פלואידים (nanofluidic) – השיפוע התרמי יכול לשמש להעברת נוזלים בתוך צינורות או במכשירים ננו-פלואידים כמו גם עבור העברתם על ידי ננו-מזרקים. הפעלת ננו-נקבוביות ביו-מהונדסות באמצעות חום שנוצר ממולקולות אדנוזין-טריפוספט (ATP). כפי שרואים באיור, הננו-מנוע מסוג טחנת רוח אלקטרונים מורכב מ-CNT עם דופן הכפולה (DWNT) הכולל ננו-צינורית חיצונית הצמודה לאלקטרודות זהב חיצוניות וננו-צינורית פנימית צרה יותר. החלק המרכזי של הננו-צינורית החיצונית מוסר באמצעות הטכניקה של פריצה חשמלית על מנת לחשוף את הננו-צינורית הפנימית אשר באפשרותה להסתובב בחופשיות. הננו-מקדחה (Nanodrill) כוללת ננו-צינורית חיצונית המחוברת לאלקטרודה מזהב אבל הננו-צינורית הפנימית מחוברת לאמבטיית כספית. ננו-מנועים קונבנציונליים משתמשים בכוחות סטטיים הכוללים את הכוח האלסטי, האלקטרוסטטי, חיכוך וכוחות ואן דר ואלס. מודל מנהרת האלקטרונים משתמש במנגנון חדש: "טורבינת אלקטרונים". כאשר מוחל מתח DC בין האלקטרודות, "רוח" של אלקטרונים "נושבת" משמאל לימין. בתחילה, לשטף האלקטרונים בננו-צינורית החיצונית תנע זוויתי השווה לאפס, אבל הוא רוכש תנע זוויתי עקב האינטראקציה עם הננו-צינורית הפנימית. על פי החוק השלישי של ניוטון, השטף הזה מייצר כוח משיק (ומכאן מומנט) על הננו-צינורית הפנימית וגורם לו להסתובב. מכאן הגיע למודל זה השם "טחנת רוח אלקטרונים". עבור מתח מתון, הכוח המשיק הנוצר על ידי רוח האלקטרונים חזק באופן משמעותי מכוחות החיכוך הפועלים במערכת. פולס של מתח יכול לגרום לאלמנט הפנימי להסתובב בזווית מתוכננת מראש מה שהופך את המכשיר למתג או רכיב זיכרון בקנה מידה ננומטרי. שינוי של טחנת רוח האלקטרונים לננו-משאבה לנוזלים על ידי החלפת המגעים החשמליים עם מאגרים של אטומים או מולקולות תחת ההשפעה של הפרשי לחץ. אף על פי שהוכח כי ניתן לבנות ננו-מנועים מלאכותיים ולשלוט בהם בדיוק גבוה, כיום הם אינם משתווים לננו-מנועים הביולוגיים או למנועים בסקאלת המאקרו במונחים של יעילות וסקיילביליות לביצוע משימות במגוון רחב. עם זאת, מחקר נוסף בתחום זה צפוי להתגבר על בעיות אלו בעתיד. מנוע ננוטכנולוגיה ננו-צינורית פחמן מנוע מולקולרי ננו-מכניקה