Описание
Слово «актуатор» происходит от английского термина «actuator» — устройство или элемент какого-либо устройства, который может «действовать». Как правило, когда говорят об актуаторах, речь идет о механическом действии — например, о линейном перемещении или вращении. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в макроэлектронике, часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты.
К простейшим типам электрических актуаторов относятся электростатические устройства на основе плоскопараллельных конденсаторов. Тепловые актуаторы обычно создают, используя эффекты теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто — пары металл–диэлектрик) с разной величиной коэффициента линейного теплового расширения. Разогрев элементов производят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актуаторы могут развивать достаточно большие усилия, однако эффективность использования энергии в них весьма мала (обычно не превышает 0,1%).
Химическое управление актуаторами может осуществляться при помощи изменения как состава окружающей среды, ее кислотности, так и других факторов, в частности, света. В качестве специфической разновидности химических наноактуаторов можно рассматривать так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть фермент эндонуклеаза рестрикции EcoR124I. Это крошечное устройство способно выталкивать и втягивать стержень диаметром 2 нанометра, сделанный из молекулы ДНК, со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать трех микрометров. Вместо «нанобатарейки», такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (АТФ — аденозин 5'-трифосфат) — источник энергии, используемый живыми клетками. Чтобы «включить» такой «мотор», нужно «впрыснуть» порцию молекул АТФ.
Другой молекулярный мотор — АТФ-синтетаза, предназначенный для синтеза или гидролиза молекул АТФ, а также для переноса протонов (H+) через мембрану клетки. По эффективности работы и развиваемой силе АТФ-синтетаза существенно превосходит все известные в природе молекулярные моторы. Типичная сила, продуцируемая такой молекулярной турбиной, составляет около 1 пН, а мощность порядка 1 аВт (1·10-18). Существует множество других наноактуаторов, созданных на основе биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов.
Иллюстрации
|
Наноактуатор-мотор. Слева приведена схема, а справа — реальное изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа. Вращающаяся часть, называемая ротором, — крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси — углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода — два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5 В, можно заставить наномотор вращаться. |
Авторы
- Гудилин Евгений Алексеевич
- Шляхтин Олег Александрович
Источники
- Köhler M., Fritzsche W. Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques. — Weinheim: Wiley–VCH, 2004. — 272 p.
- Fennimore A.M., Yuzvinsky T.D., Wei-Qiang Han et al. Rotational actuators based on carbon nanotubes // Nature. 2003. V. 424. P. 408–410.
- Нанотехнологии. Азбука для всех / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Физматлит, 2008. — 368 с.
- Наноэлектромеханические системы // Сайт «Нанометр». — www.nanometer.ru/2008/12/21/nems_54998.html
- Cornelius T. Handbook Techniques and Applications Design Methods; Fabrication Techniques; Manufacturing Methods; Sensors and Actuators; Medical Applications. — Springer, 2007. — 1350 p.
- Poole C. P., Owens F. J. Introduction to Nanotechnology. — New Jersey: Wiley–Interscience, 2003. — 388 p.