Устройство для преобразования энергии хаотичного теплового движения искусственных микрочастиц в энергию поступательного движения мембраны

Изобретение относится к нанотехнологиям в производстве двигателей, альтернативных источников энергии и холодильных устройств.
Сейчас нанотехнологии очень быстро развиваются. Это позволяет уже в настоящее время реализовать устройства, сортирующие микрочастицы, находящиеся в состоянии теплового движения.
Предлагается способ преобразования энергии хаотичного теплового движения микрочастиц (искусственных, заполняющих герметичную камеру) в энергию поступательного движения мембраны или объекта, содержащего такие мембраны, покрытые отверстиями определённых размеров. Предлагается построить на отверстиях устройства, обладающие вентильными свойствами только за счёт своих механических качеств, устройства типа условно определяемые как упругая баскетбольная корзина.
одной стороне отверстия в мембране (фиг. 1). Предполагается, что такая шторка - сетка корзины деформируется при попадании в неё микрочастицы, восстанавливая свою форму после соударения. При наклонном попадании микрочастицы в отверстие со стороны сетки, микрочастица производит действие:
1) Либо она настолько деформирует сетку, что та отводит частицу от отверстия в мембране.
2)Либо из-за того, что со стороны мембраны положение края шторки зафиксировано, а с другой стороны свободно, поверхность шторки, отражающая микрочастицу разворачивается на некоторый угол при соударении. Из-за этого разворота угол отражения микрочастицы к оси отверстия увеличивается по отношению к углу падения, продольная к оси отверстия компонента скорости уменьшается, микрочастица тормозится. При попадании микрочастицы с другой стороны мембраны при ударе о шторку происходит обратный процесс. Угол вектора скорости к оси отверстия при отражении уменьшается. Этими качествами определяется асимметрия условий взаимодействия мембраны и микрочастиц, попадающих в отверстие мембраны с разных сторон, что определяет возникновение разницы давлений на разные стороны мембраны.
Поскольку в данном случае эффект достигается взаимодействием частицы со всей структурой корзины как целым, возникает ограничение, требующее, чтобы статистически в корзине одновременно находилось не более одной частицы. Значит, размер корзины сверху ограничивается средним расстоянием до ближайших соседних частиц. (Корень кубический из объёма, приходящегося на одну частицу). При нормальном давлении это порядка 3 нм. В принципе, вышеописанный вентиль может быть реализован уже существующими нанотехнологиями. Но можно упростить технологию устройства, имитируя действие вентиля упругая баскетбольная корзина более простыми устройствами, и используя структуры, в которых асимметрия достигается взаимодействием частицы с отдельной частью устройства (а не со всем целым устройством).
2. Одним из возможных направлений имитации вентиля типа баскетбольной корзины является покрытие волокнами (упругими перпендикулярными мембране нитеобразными образованиями) одной из сторон мембраны. Будучи прикрепленными одним концом к плоскости, волокна при попадании в них частиц (со стороны мембраны, покрытой волокнами) изгибаются так (фиг. 2), что при отражении частицы, угол вектора скорости к оси отверстия увеличивается и продольная к оси компонента скорости
уменьшается. При попадании в волокно частицы, летящей с другой стороны мембраны, её продольная компонента скорости увеличивается. Этот процесс реализует асимметричность сторон мембраны для значительной доли частиц. Длина волокон должна быть порядка размеров отверстия . В этом варианте имитации при нормальном давлении допустим диаметр отверстий до 10 нм.
Размеры и массу частиц в данном случае можно увеличить, чтобы увеличить вероятность попадания частиц в волокна и увеличить эффективное взаимодействие частиц с волокнами (отклонение волокон).
Чтобы частицы не скапливались в среде волокон необходимо, чтобы отверстия в мембране находились бы достаточно близко друг к другу (расстояние менее радиуса отверстий).
3. Возможна другая имитация вентиля типа упругая баскетбольная корзина единой непрерывной структурой по одну сторону мембраны. Необходимо, чтобы жёсткость этой эластичной структуры постепенно убывала от максимально жёсткой основы к свободному краю. Такая единая эластичная структура имеет дополнительные положительные качества - внутри неё не смогут накапливаться частицы, меняя этим свойства структуры и она прочней. Для создания такой единой структуры можно использовать технологию напыления слоев с постепенным увеличением
эластичности напыляемого материала (фиг. 3). Взаимодействие частицы со стенкой отверстия в этом случае (как и во 2-м) носят локальный характер, диаметр отверстий допустим до 10 нм. Механизм возникновения асимметрии тот же, что и в предыдущем случае (локальный поворот стенки).
На фиг. 1 изображена мембрана с отверстиями и вентилями типа упругая баскетбольная корзина. На фиг. 2 показаны изменения наклона вектора скорости микрочастицы из-за изгиба ворсинки в зависимости от направления их движения. На фиг. 3 показано расположение эластичных слоев на жёсткой мембране.
Эффективность работы собственно вентиля упругая баскетбольная корзина достаточно очевидна. Для доказательства работы двух вентилей-имитаций необходимо рассмотреть сначала крайний случай: расстояния между отверстиями на мембране делаются минимальными, микрочастицы делаются максимально допустимых размеров. В этом случае обе имитации практически совпадают с чистым вариантом, значит эффективны. Далее при изменении расстояния между отверстиями и размеров частиц эффект не может пропасть, он может только измениться.