Точные и естественные науки

Учёные создали самый маленький двигатель на свете

ген
Автор Йорик

Мотор можно будет использовать в нанороботах

Ученые из Кембриджского университета создали самый маленький двигатель в мире, который, по их словам, можно будет использовать в нанороботах, в том числе в тех, которых будут запускать в тело человека для медицинских целей, пишет Financial Times.

Scientists build world's tiniest engine

Scientists have developed the world’s tiniest engine – just a few billionths of a metre in size – which is powered by light and may help develop nano-machines that can navigate in water, sense the environment around them, or even enter living cells to fight disease.

The prototype device is made of tiny charged particles of gold, bound together with temperature-responsive polymers in the form of a gel.

When the ‘nano-engine’ is heated to a certain temperature with a laser, it stores large amounts of elastic energy in a fraction of a second, as the polymer coatings expel all the water from the gel and collapse.

This has the effect of forcing the gold nanoparticles to bind together into tight clusters.

When the device is cooled, the polymers take on water and expand, and the gold nanoparticles are strongly and quickly pushed apart, like a spring.

“It’s like an explosion. We have hundreds of gold balls flying apart in a millionth of a second when water molecules inflate the polymers around them,” said Tao Ding from University of Cambridge in the UK.

“We know that light can heat up water to power steam engines. But now we can use light to power a piston engine at the nanoscale,” said Ventsislav Valev, now based at the University of Bath.

Nano-machines have long been a dream of scientists and public alike, but since ways to actually make them move have yet to be developed, they have remained in the realm of science fiction.

The new method is simple, and can be extremely fast and exert large forces, researchers said.

The forces exerted by these tiny devices are several orders of magnitude larger than those for any other previously produced device, with a force per unit weight nearly a hundred times better than any motor or muscle.

According to the researchers, the devices are also bio-compatible, cost-effective to manufacture, fast to respond, and energy efficient.

Jeremy Baumberg from the University of Cambridge, who led the research, has named the devices ‘ANTs’, or actuating nano-transducers.

“Like real ants, they produce large forces for their weight. The challenge we now face is how to control that force for nano-machinery applications,” Baumberg said.

The research suggests how to turn Van der Waals energy – the attraction between atoms and molecules – into elastic energy of polymers and release it very quickly.

“The smart part here is we make use of Van der Waals attraction of heavy metal particles to set the springs (polymers) and water molecules to release them, which is very reversible and reproducible,” said Baumberg.

The research was published in the journal PNAS.

Прототип двигателя называется “приводящий в действие нанопреобразователь” (Ant — в переводе с английского “муравей”, сокращенно от actuating nano-transducer). Механизм производит на единицу веса движущую силу, которая в сто раз выше, чем у любого известного мотора или мускула.

“Люди уже много лет говорят о появлении нанороботов, однако их до сих пор не существует. Почему? Потому что до настоящего момента не было способа заставить их перемещаться в жидкой среде. Это как плыть через патоку, только в наномасштабе, потому что сила притяжения между молекулами очень высокая”, — объясняет возглавляющий исследования профессор Джереми Бомберг из Кембриджского университета.

Двигатель, описанный им и его коллегами в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, способен исправить эту ситуацию и обеспечить нанороботам необходимую мощность. “Подобно настоящим муравьям, они обладают внушительной силой при своем маленьком весе”, — отмечает он.

По словам Бомберга, теперь ему и его коллегам предстоит выяснить, как контролировать эту силу.

FT объясняет принципы работы двигателя Ant. Он приводится в действие скорее физическими, нежели химическими реакциями. В нем содержатся золотые наночастицы, каждая диаметром около 0,06 микрона, что составляет примерно одну тысячную ширины человеческого волоса. Эти частицы помещены в воду с гелеобразным полимером pNIPAM.

Когда температура достигает отметки выше 32 градусов по Цельсию, золотые частицы тесно слипаются с полимером посредством межмолекулярного притяжения. Когда температура падает ниже 32 градусов, полимер резко впитывает воду и расширяется, а золотые частицы стремительно отталкиваются в сторону друг от друга, как пружины.

“Это похоже на взрыв”, — объясняет Тао Динг, еще один участник исследований. Бомберг сравнивает процесс работы двигателя с нано-пружиной.

В прототипе для контроля температуры используются лазеры, однако вместо них можно использовать и другие способы. Переходную температуру тоже можно буде подкорректировать — например, установить ее в районе 37 градусов, то есть на отметке, близкой к температуре человеческого тела.

“Эта концепция может стать основой для огромного количества будущих разработок”, — подводит итог Бомберг.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник: segodnya.ua

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: