ПРОЕКТ НАНОМЕХАНИЧЕСКОГО ВЕНТИЛЯ

Свидиненко Юрий (Svidinenko)

Для того, чтобы разработать работоспособные наносистемы (редукторы, подшипники и др.), необходимо иметь математическую модель, которая учитывает взаимодействия отдельных атомов. Но так как эти устройства обычно состоят из нескольких тысяч атомов, то математическое моделирование такой сложной системы представляет определенные трудности.

Ученые из Калифорнийского института технологии нашли компромисс: они соединили классические инженерные приемы с молекулярным моделированием для того, чтобы спроектировать наномеханический вентиль для жидкостей. Это устройство может с успехом использоваться в доставке лекарств, биологических и химических тестах, в качестве инжектора для микро- и нанодвигателей, и даже в струйных принтерах.

Основа вентиля — кремниевая однослойная нанотрубка. Она играет роль «шланга», по которому протекает жидкость. На нанотрубку опирается консоль, которая может давить на нанотрубку (см. рис. 1). Как только необходимо прекратить протекание жидкости через нанотрубку, то консоль деформируется, пережимая нанотрубку настолько, что жидкость не течет. По аналогии с макромиром: перегнули шланг для полива — и вода не идет.

Рис.1. Внешний вид наномеханического вентиля

Принцип действия устройства вполне ясен. Расскажем, как ученые хотят заставить кремниевую консоль изгибаться, для того, чтобы давить на нанотрубку. Консоль покрыта сверху органическим слоем акриловой кислоты. Все устройство будет находиться в жидкости с изменяющимся pH. Как только pH окружающей среды повысится, то суммарный заряд консоли будет негативным (из-за отбора протонов органического слоя). Этот избыточный отрицательный заряд может вызвать деформацию консоли. Как только pH вернется в норму, то органический слой получит дополнительные протоны, и консоль выпрямится (см. рис. 2). Для нанесения акрилового слоя на кремниевую консоль ученые предлагают использовать специально модифицированную кремниевую поверхность — Si (100).

Рис.2. Принцип действия устройства

В этом проекте исследователи использовали классические инженерные методики для определения конструкции устройства, и молекулярное моделирование для того, чтобы узнать, как нанотрубка поведет себя под действием нагрузки со стороны консоли (см. рис. 3). Размер управляемого вентиля будет от 34.5 до 70 нанометров в длину, а все устройство целиком будет состоять из 75000 атомов.

Рис.3. Моделирование деформации нанотрубки и модель устройства целиком

Благодаря тому, что исследователи совместили два подхода: макро и молекулярное моделирование, то расчет структуры в 75000 атомов не представляет особого труда.

Для производства прототипа устройства нужно решить еще ряд технологических проблем: нанесение органического слоя на кремниевую консоль; соединение консоли с нанотрубкой; а также производство и соединение с вентилем резервуара жидкости.

Вентиль можно будет использовать в точных системах дозирования лекарств. Ученые представили описание автоматического дозиметра, который сам может отмерять определенные объемы жидкости автоматически! Часть дозируемой жидкости изменяет pH среды, заставляя вентиль закрываться. А когда pH упадет, устройство снова откроется, выпустив новую порцию лекарства (см. рис. 4).

Рис. 4. Автоматическая дозировка лекарств

Одно из применений нового устройства — в наносборке. Точные порции «строительного материала» могут доставляться непосредственно к наноманипуляторам и молекулярным конвейерам (см. рис.5).

Рис.5. Вентиль в наносборке

Струйные принтеры с высоким разрешением печати смогут появиться на рынке уже через три года после производства прототипа вентиля. А вот использование его в доставке лекарств можно ожидать только через 10 лет.

Однако прототип устройства будет создан не ранее, чем через год — так заявляют ученые из Калифорнийского института технологии.

Скачать pdf со статьей (10 Мб, англ)

Источник: California Institute of Technology

Источник: Nanotechnology News Network

Дата: 18 октября 2004