Only Perception: 奈米碳管風車以「電子風」為動力

2008-07-10

奈米碳管風車以「電子風」為動力

Carbon Nanotube Windmills Powered by 'Electron Wind'
http://www.physorg.com/news134742910.html

July 08, 2008
By Lisa Zyga

英國 Lancaster 大學的理論物理學家設計了一款奈米馬達（nanomotor），那靠一種新奇的機制運作：一陣電子風（electron wind）。

如同 Steven Bailey、Ilias Amanatidis 以及 Colin Lambert 在最近一期 Physical Review Letters 當中的解釋，這種新驅動機制對未來的 NEMS（nanoelectromechanical structures，奈米機電結構）技術可能會有用。

"（以前，）想法已被導向「推動」馬達讓它轉動，但我們的提議卻利用該裝置的一種內在特性：例如，電子或光子當中的動量變化，" Bailey 說。

研究者將這款奈米馬達描述成一座奈米碳管（CNT）風車，不過這裝置與傳統有葉片旋轉的風車相比，看起來更像是一具單筒望遠鏡。

它以雙壁奈米碳管構成，在這裡外面的碳管夾住二個外部電極，而較短的內部碳管則能夠自由移動與旋轉。在一種稱為奈米碳管鑽頭的版本中，外面的碳管只夾住一個電極，而自由移動的內部碳管的一端則與水銀電極接觸，但仍能自由旋轉。這些裝置之所以被稱為風車是因為它們藉由在二電極間施加一直流電壓，那產生一陣電子「風」進而驅動它。

當它移動穿過奈米碳管時，電子流獲得角動量，產生一正切力（tangential force），那導致內部的奈米碳管旋轉。研究者計算電子風能產生的力顯然超過內壁的摩擦力 -- 有時多達三個數量級。端看所施加的電壓，旋轉中的內部碳管能達到奈米碳管的崩潰速度（breakdown velocities），高達每秒 8,000 公尺。

這個以電子風為動力的奈米馬達能有一系列應用。例如，透過使用一種電壓脈衝使內部碳管以一種特定角度旋轉，它能被當成一種開關或奈米尺度之磁性記憶裝置中的記憶元件使用；或著，讓奈米碳管與一個原子或分子貯存器接觸，此奈米馬達能成為一種奈米流體（nanofluidic）幫浦。

物理學家亦提議，這種馬達能以不同方式為動力。在一種可能中，電子能以原子或分子的貯存器取而代之。接著，所施加的一種壓力差異能驅使原子或分子穿過奈米碳管，而它們的角動量能導致內部碳管旋轉。同樣地，奈米碳管兩端之間的溫度差，能創造出一種聲子（phonons）通量，那也能驅動這個馬達。

其他基於奈米碳管的奈米馬達也已被開發，包括有類似於奈米碳管風車（CNT windmill）結構的多壁（multi-walled）奈米碳管。然而，這些以靜電力驅動的早先設計需要金屬板與閘道，這些在新設計中都不再需要。研究者希望奈米碳管風車的效率與簡潔將在未來提供超越靜電的優勢與其他奈米馬達。

"設計建造奈米尺度馬達的能力，與 1990 年代的微米尺度馬達一樣是站在同一舞台上，" Bailey 說。"要處理非常小尺寸的製造技術，總能被實驗團體趕上，其進展相當迅速，而且我們預測，為了要充分檢測，此奈米碳管風車將不需要對這些群組中已確立的過程做太多改變。的確，在製造奈米馬達裝置時，這裡應當有較少的建造涉入其中。這種在工程上簡明的奈米碳管風車，在未來將會是最大優勢。"

※ 相關報導：

＊ Carbon Nanotube Electron Windmills: A Novel Design for Nanomotors
http://link.aps.org/abstract/PRL/v100/e256802