Iš nanoskalės konstrukcinių blokų surinkti labai greitaeigiai besisukantys nanoelektromechaninės sistemos įtaisai | gamtos komunikacijos

Iš nanoskalės konstrukcinių blokų surinkti labai greitaeigiai besisukantys nanoelektromechaninės sistemos įtaisai | gamtos komunikacijos

Anonim

Dalykai

  • Projektavimas, sintezė ir apdorojimas
  • NEMS

Anotacija

Rotacinių nanomotorių vystymas yra nepaprastai svarbus norint patobulinti nanoelektromechaninių sistemų technologijas. Šiame darbe pateikiame užsakytų nanomotorių matricų projektavimą, surinkimą ir sukimąsi. Nanomotoriai yra surenkami iš apačios į viršų iš nanoskalės konstrukcinių blokų, kurių rotoriai yra su nanovieliais, su raštuotais nanomagnetais kaip guoliai ir keturviečiai mikroelektrodai kaip statoriai. Nanomotorių masyvai sukasi kontroliuojamu kampu, greičiu (daugiau kaip 18 000 aps / min) ir chiralitetu elektrinių laukų pagalba. Naudodamiesi analitiniu modeliavimu, atskleidžiame pagrindinę nanomotorinių elektrinių, mechaninių ir magnetinių sąveikų nanomotorinėje sistemoje, kuri puikiai sutinka su eksperimentų rezultatais ir suteikia kritinį supratimą projektuojant metalines nanoelektromechanines sistemas. Nanomotorius galima nepertraukiamai sukti 15 valandų per 240 000 ciklų. Jie yra naudojami kontroliuojamam biocheminiam išsiskyrimui ir parodo biocheminių medžiagų išsiskyrimo greitį nanodalelėse, kurias tiksliai galima suderinti mechaniniu sukimu. Naujovės, apie kurias pranešta šiame tyrime, nuo koncepcijos, projektavimo ir įjungimo iki pritaikymo, yra svarbios nanoelektromechaninei sistemai, nanomedicinai, mikrofluidikams ir laboratorijoms ant lusto.

Įvadas

Nanoelektromechaninės sistemos (NEMS) įtaisai, kuriuos sudaro tiek elektroniniai, tiek mechaniniai komponentai, išryškėja kaip naujos kartos technologija, galinti daryti didelę įtaką žmonių gyvenimams. Jis suintrigavo mokslinių tyrimų bendruomenę daugiau nei dešimtmetį ne tik dėl turtingo fundamentinio mokslo, kuriame prietaisai gaminami nanoskalėje 1, bet ir dėl didelio techninio proveržio galimybių įvairiose srityse, įskaitant robotiką 2, biomedicininius tyrimus 3, 4., 5, 6 ir optoelektronikos 7 .

Rotaciniai nanomotoriai, NEMS prietaisų tipas, yra ypač svarbūs norint patobulinti NEMS technologiją paverčiant elektrą nanodalelių mechaniniais judesiais nanomašinoms ir nanofaktorijoms 8, 9 . Tradicinis miniatiūrinių variklių gamyba reikalauja sudėtingo projektavimo ir sunkių procesų 10, 11, 12, 13 . Pavyzdžiui, paprastas sukamasis mikroelektromechaninės sistemos (MEMS) įtaisas reikalauja, kad būtų pagamintos ir integruotos kelios sudedamosios dalys, įskaitant rotorius, guolius, stebulės ir statorius - miniatiūrinėmis svarstyklėmis 9, 10, 11, 14 . Naudojant tradicines MEMS technologijas - fotolitografiją ir mikromažinimą - pasiskolintą iš mikroelektronikos pramonės, reikia šimtų gamybos etapų. Prietaisai pasižymi mažu derlingumu ir trumpu tarnavimo laiku 15 . Ant kiekvieno vaflio buvo pagaminti tik keli besisukantys MEMS ir dauguma jų veikė tik nuo kelių sekundžių iki kelių valandų 10, 16 . Todėl MEMS išmoktas metodikas pritaikyti dar mažesnių NEMS prietaisų gamyboje yra labai sunku. Tai taip pat rodo riboti milimetrų MEMS variklių dydžiai iki šimtų mikrometrų 16, 17, 18 . Tik nedaugelis gali pasiekti dešimtis mikrometrų, ir tik nedaugelis gali padaryti iš tikrųjų nanomalio masto variklius, net ir naudodamiesi geriausiomis turimomis technikomis 12, 13, 19 . Labai pageidautina ištirti naujus mechanizmus, leidžiančius sukurti didelius rotacinių NEMS įtaisų rinkinius, pasižyminčius dideliu efektyvumu, nanoskalės matmenimis, patikimomis eksploatacinėmis savybėmis ir mažomis sąnaudomis.

Pastaruoju metu intensyvios mokslinių tyrimų pastangos buvo nukreiptos į nanodalelių naudojimą kaip MEMS / NEMS prietaisų paleidimo komponentus dėl unikalių nanotechnologijų teikiamų pranašumų: (1) didelius nanodalelių rinkinius, turinčius kontroliuojamą geometriją, chemines, fizines ir mechanines savybes, galima reguliariai sintetinti maža kaina 20 ; (2) MEMS prietaisų dydį galima smarkiai sumažinti, naudojant sintezuotus nanodalelius kaip 1 pagrindinius elementus; ir (3) unikalios nanodalelių fizikinės ir cheminės / elektrinės savybės pagerina miniatiūrinių mechaninių įtaisų 21, 22 veikimą.

Grupė „UC Berkeley“ gamino nanomotorius su viršuje žemyn daugiapakopiu elektronų pluošto litografija 12 . Tokiame prietaise nanodalelių metalinis padėklas buvo pritvirtintas prie pakabinamo daugiasienio anglies nanovamzdelio gabalo, naudojant elektronų pluošto litografiją. Esant didelei elektros įtampai, metalinis padėklas sukasi aplink daugiasienį anglies nanovamzdelį, o vidinės anglies nanovamzdelių sienos tarnavo kaip guoliai. Tačiau norint puikiai parodyti besisukančių NEMS nanodalelių savybes, reikėjo sudėtingos pagaminimo procedūros. Neseniai Kornelio universiteto grupė pagamino dar vieną nanomotorių tipą, pagrįstą neorganinėmis ir organinėmis hibridinėmis struktūromis 13 . Nanomotorių varikliais buvo naudojami molekuliniai varikliai, tam tikros rūšies baltymai. Litografiškai rašyti neorganiniai nanodiodai, pritvirtinti prie molekulinių variklių, buvo naudojami kaip rotoriai. Hidrolizuodami adenozino trifosfatą, molekuliniai varikliai gali priversti suktis neorganinius nanododus. Dėl neorganinių nanorodų konjugacijos su molekuliniais varikliais sudėtingumo buvo pasukti tik keli iš šimtų nanorodų. Be to, dėl natūralių molekulinių variklių savybių jie negalėjo pakeisti nei sukimosi, nei greičio. Katalitiniai nanomotoriai atsirado kaip naujo tipo nanomechaniniai įtaisai, paverčiantys cheminę energiją mechaniniais judesiais. 8, 23, 24 . Daugelis katalizinių variklių yra įjungiami biomolekulėms, tokioms kaip baltymai ar bakterijos, transportuoti 25 . Neseniai buvo įrodyta, kad asimetriniai ir vieno galo fiksuoti nanododžiai gali suktis 26, 27, vis dėlto, atsitiktiniu greičiu, orientacija ir vietomis.

Šiame darbe pateikiami novatoriški rotacinių NEMS įtaisų, pagamintų iš nanoskalės konstrukcinių blokų, rinkinių surinkimo ir eksploatavimo mechanizmai. Nanomotoriai susideda iš daugiasegmentinių nanovielių, raštuotų nanomagnetų ir keturviečių mikroelektrodų, atitinkamai kaip rotorių, guolių ir statorių. Nanomotorių masyvus galima surinkti ir pasukti kontroliuojamu kampu, greičiu (ne mažesniu kaip 18 000 aps / min) ir chirališkumu. Buvo ištirtos pagrindinės elektrinės, magnetinės ir mechaninės sąveikos, susijusios su nanomotorinių sistemų komponentais, kurie suteikia supratimą projektuojant ir įjungiant įvairius metalinius NEMS įtaisus. Buvo parodyta, kad nanomotoriai, kurių visi matmenys yra 240 000 ciklų, yra kontroliuojami biocheminiai. Šio tyrimo naujovė gali įkvėpti daugelį mokslinių tyrimų sričių, įskaitant MEMS / NEMS, bio-NEMS, mikro / nanofluidics ir laboratorijoje ant mikroschemos esančią architektūrą.

Rezultatai

Nanomotorių projektavimas

Mes ištyrėme unikalų nanomotorių tipą, pagamintą iš strategiškai surinktų nanodalelių, tokių kaip nanolaidai ir nanodiskai, kaip parodyta 1a, b pav. Nanomotorius sudaro daugiasegmentiniai Au / Ni / Au nanovieliai (150–400 nm skersmens ir nuo 800–10 μm ilgio), veikiantys kaip rotoriai, raštuoti nanomagnetai (nuo 200 nm iki 2 μm skersmens), veikiantys kaip guoliai, ir paprasti keturgubai mikroelektrodai. veikdami kaip statoriai. Raštuoti nanomagnetai yra pagrindiniai sukamųjų dalių tvirtinimo komponentai. Nanomagnetai susideda iš trijų sluoksnių plonasluoksnių Au / M / Cr pluoštų, kur M žymi tokias magnetines medžiagas kaip Ni ir Co. Kiekvienas nanomagnetų sluoksnis tarnauja šiam tikslui: apatinis Cr sluoksnis prilimpa prie pagrindo, o vidurinis magnetinis sluoksnis sukuria magnetinį lauką, o viršutinis Au sluoksnis yra naudojamas koreguoti tarpus tarp magnetinio sluoksnio ir nanovielių, kad būtų sureguliuota magnetinė trauka. Magnetinį patrauklumą galima sureguliuoti taip tiksliai, kad jis galėtų pritvirtinti nanovielius prie guolių, bet ne per stipriai, kad nanovamzdžiai nepasisuktų.

Image

a ) Nanomotorių rinkinio, sudaryto iš nanoskalės konstrukcinių blokų su daugiasegmentiniais Au / Ni / Au nanodaviniais kaip rotatoriais, schema, schema, trijų sluoksnių Au / Ni / Cr magnetais kaip guoliai ir mikroelektrodais kaip statoriais. b ) Nanomotorio ir SEM atvaizdo Au / Ni / Au nanovielių schema, paryškinta klaidingomis spalvomis (geltona: Au; žalia: Ni). Svarstyklės, 5 μm. c ) „nanodalelių“, gabenamų ir surinktų ant nano nešiojamų elektrinių žnyplių, sutampančių vaizdų. Svarstyklės, 10 μm. Sumontuoto nanomotoro (pradinis) SEM vaizdas (skalė, 5 μm) ir elektrinių žnyplių, manipuliuojančių nanodangomis, schema. d ) Nano laido momentiniai vaizdai, besisukantys ant nano nešiojančio CW ir CCW kas 71 ms. Svarstyklės, 10 μm. e ) Surinkto nanovielio kampinė padėtis θ 10–14 V kintamosios srovės E laukuose (rotorius: Au (4, 5 μm) / Ni (1 μm) / Au (4, 5 μm); guolis: plonos plėvelės pluoštas, pagamintas iš Au (100 nm) / Ni (80 nm) / Cr (6 nm) ir 1 μm skersmens).

Visas dydis

Nanomotorių surinkimas ir įjungimas

Norint realizuoti tokius nanomotorius, reikia išspręsti dvi pagrindines problemas, tokias kaip: (1) kaip tiksliai surinkti nanomotorius su nanodaviniais tvirtinimais ant raštuotų nanomagnetų? ir (2) kaip pasukti nanomotorius? Šioms problemoms spręsti pasinaudojome „elektrinių pincetų“ naudojimu. Elektriniai pincetai yra mūsų neseniai išrasta nanomanipuliacijos technika, galinti nanoelementus, tokius kaip nanolaidai ir nanovamzdeliai, pervežti iš savavališkų trajektorijų į nurodytas vietas, esant 150 nm tikslumui, 28, 29, 30, ir pasukti juos nustatytu kampu, greičiu ir chirališkumu 31 .

Nanotechnikos rotoriai, gyvybiškai svarbūs sukamųjų nanomotorių komponentai, buvo suprojektuoti su trijų segmentų Au / Ni / Au struktūra, kur Ni segmentas yra skirtas pritvirtinti nano laidus ant raštuotų magnetinių guolių. Čia „Au / Ni / Au“ nanovieliai buvo gaminami elektrodalinant į nanoporines šablonus trijų elektrodų elementuose, kaip aprašyta eksperimento sesijoje 28, 32 . Nanodangų suspensija (4 μl) dejonizuotame (DI) vandenyje buvo įpilta į ~ 4 μl tūrio rezervuarą, pagamintą iš polidimetilsiloksano elastomerų, surinktų ant mikroelektrodų viršaus. Tada rezervuaras buvo užantspauduotas stikliniu dangtelio šleifu. Naudodamiesi elektriniais pincetais, nanolaidus galima pernešti nuolatiniu DC E lauku ir lygiagrečiai (AC // DC) arba statmenai (AC ⊥ DC) jų transportavimo kryptimis nukreipti naudojant AC E lauką. Kontroliuodami kombinuotų kintamosios srovės ir nuolatinės srovės E laukų trukmę tiek X, tiek Y kryptimis, nanodavinius laidus galima tiksliai valdyti dviem matmenimis išilgai nustatytų trajektorijų iki raštuotų magnetinių guolių, kaip parodyta 1c pav. Ir 1 papildomame filme. Nanolaidis, esantis šalia nanodalelio, yra greitai pritraukiamas ir montuojamas nanodaviklio viršuje, naudojant magnetinę jėgą tarp nanodavinio ir nanodaro. Kai jis yra pritvirtintas prie nano guolio, jo nebegalima perkelti. Tokiu būdu mes galime lengvai suformuoti užsakomus nanomotorių masyvus, gabendami ir montuodami nanodavinius iš eilės. Dėl efektyvaus manipuliavimo elektriniais pincetu, kiekvienas surinkimo įvykis trunka tik keletą sekundžių.

Nanodaudiniai (nuo 200 nm iki 2 μm skersmens), tvirtinantys nanoplastinius rotorius, turi įterptą Ni plėvelę su švelniai pakreipta statmena magnetine anizotropija, kad būtų užtikrinta magnetinė tvirtinimo jėga (1 papildomas paveikslas ir 1 papildoma pastaba) 33 . Nanolaidų magnetinė orientacija plokštumoje plokštumoje kontroliuojama demagnetizavimo būdu, palaipsniui mažinant svyruojantį ± 10 kG magnetinį lauką, o po to vėl magnetizuojant esant 10 kG norima kryptimi 5 s.

Taikydami keturias kintamąsias įtampas (10–150 kHz ir 8–17 V) su nuosekliu 90 ° fazės poslinkiu ant keturių mikroelektrodų, sukūrėme besisukantį kintamos srovės E lauką, kuris akimirksniu gali valdyti nanolynų masyvus, kad pasisuktų ant magnetinių guolių. . Besisukančių nanomotorių judesiai buvo užfiksuoti optiniu mikroskopu, turinčiu CCD kamerą, veikiančią 14–200 kadrų per sekundę greičiu. Nanomotoriai buvo pasukti tiek pagal laikrodžio rodyklę (CW), tiek priešinga CW (CCW), taip pat, kaip ir besisukantys E laukai, kaip parodyta 1d pav. Esant kiekvienai kintamajai įtampai, sukimasis akimirksniu prasidėjo, pasiekė galinį greitį ir sustojo, kai tik išorinis E laukas buvo pašalintas be pastebimo pagreičio ar lėtėjimo (1e pav.). Greitasis sukimosi atsakas yra dėl ypač mažo Reynoldso skaičiaus - 10–5 nanodalelėms DI vandenyje, kur klampi jėga užvaldo judesį 34 . Atidžiau pažvelgę, pastebėjome, kad sukimosi kampo ( θ ) santykis su laiku ( t ) nebuvo visiškai tiesinis (2a pav.). Paėmę pirmąjį kampo darinį laiko atžvilgiu, galėtume gauti sukimosi greitį ( ω ), kuris parodė aiškią sinusoidinę priklausomybę nuo laiko ( t ) ir kampo ( θ ), svyruojančio tarp dviejų būsenų, tokių kaip didelis greitis ( ω max ) ir mažo greičio būsenos ( ω min ), kai periodiškumas yra 360 ° (2b, c pav.). Norint suprasti šiuos reiškinius, labai svarbu kruopščiai ištirti nanomotorinės sistemos nanoskalės komponentų elektrines, magnetines ir mechanines jėgas / sukimo momentus.

Image

a ) sukimosi kampas ( θ ) pagal laiką ( t ). ( b, c ) Nanomotoriaus sukimosi greitis ( ω ), palyginti su kampine padėtimi ( θ ), esant ( b ) 12 V; ir ( c ) 11 V ir 10 kHz (CW). d ) Magnetinio ( τ M ) ir trinties sukimo momentų ( τ f ) suma: ( τ M + τ f ), varikliui veikiant 12 V ir 10 kHz dažniu. e ) Analitiniai τ M ir τ f, palyginti su kampu, sprendimai su momentiniais vaizdais, parodantys nanomotoro kampo padėtį τ M, 0, τ M, max, τ M, min, τ f, max ir τ f, min . f ) nuo kampo priklausantys sukimo momentai ( τ M + τ f ), τ M, τ f ir nanorotoriaus sukimosi greitis ω esant 12 V ir 10 kHz. Vaizdai parodė nanomotoro kampines padėtis, kai sukimosi greičiai yra didžiausi ( ω max), mažiausi ( ω min ), o kombinuotas magnetinis ir trinties sukimo momentas ( τ M + τ f ) yra didžiausias, ( τ M + τ f ) atitinkamai min ir τ M, 0 . g ) Maksimalus / mažiausias nanomotorių sukimosi greitis atsiranda, kai jungtinis sukimo momentas ( τ M + τ f ) yra didžiausias / mažiausias ta pačia E lauko puse. Besisukančio nanomotoro išlyginimas, kai τ M = 0, yra toks pat, kaip ir pradinis ką tik surinktos nanosienos suderinimas. Svarstyklės, 5 μm.

Visas dydis

Nanomotorių sąveika nanomotoriuose

Nanomotorinėje sistemoje galima nustatyti penkis sukimo momentus:

Image

kur τ e, τ e ′, τ η , τ M ir τ f yra elektrinis sukimo momentas dėl besisukančių kintamos srovės E laukų, efektyvusis sukimo momentas dėl indukuotos elektrinės nanolydės ir guolio poliarizacijos, klampus sukimo momentas iš vandens vidutiniai, magnetiniai ir trinties sukimo momentai tarp magnetinio nanodalelio segmento ir magnetinio nanokandžio.

Klampus pasipriešinimo sukimo momentas τ η , besisukantis nanodalelėje DI vandenyje, apskaičiuojamas kaip 35 :

Image

kur r ir l yra atitinkamai nanovielio spindulys ir ilgis, η yra klampus suspensijos terpės koeficientas, o N - nanolaidų segmentų, naudojamų klampiam sukimosi momentui apskaičiuoti, skaičius, kuris laikomas 2, skaičius. 150 nm spinduliu ir 10 μm ilgio, τ η = −1, 74 × 10 −19 ω (N m). Atkreipiame dėmesį, kad be aukščiau aptarto klampiojo pasipriešinimo momento, arti pagrindo besisukantis nano lynas taip pat patiria sienos efektą, kuris yra daug mažesnis, palyginti su kitomis susijusiomis jėgomis ar sukimo momentais, ir kurio galima saugiai praleisti (2 papildomoji pastaba).

Elektrinį sukimo momentą sukuria poliarizuotų nanodalelių sąveika su kintamos srovės E laukais, kuriuos nurodo 36

Image

kur ε m ir Im ( K ) yra pakabos terpės ir nanodangos Clausius – Mossotti koeficiento K įsivaizduojamos dalies leistinumas, o E yra E lauko, sukuriamo pritaikytos įtampos V ( E), intensyvumas. ∝ V ). Kadangi τe priklauso tik nuo pakabos terpės, Im ( K ) ir nanodalelio matmens, sumontuoto nanodaviklio rotoriaus τe vertė turėtų būti identiška to paties nanovaito, laisvai besisukančio pakaboje, vertei. Atkreipkite dėmesį, kad laisvai besisukančiam nano laidui elektrinis sukimo momentas balansuoja su klampiu sukimo momentu ( τ e = τ η ). Todėl derinant (2) ir (3) lygtis elektrinio sukimo momento dydį ( τ e ), kurį galima surinkti, surinktą iš nanoplastinio rotoriaus, galima lengvai apskaičiuoti iš laisvai besisukančio nanoplastiko, kuris parodo sukimosi greitį ω ∝ V 2 . Iš tiesų eksperimentiškai buvo stebima tiesinė pendence priklausomybė nuo V 2, kai nuolydis yra

Image
kaip parodyta 3a pav. (oranžinė linija, laisvai besisukanti nanolaida). Todėl elektrinį sukimo momentą galima lengvai nustatyti kaip τ e = 3, 01 × 10 –20 V 2 (N m V –2 ]). Esant tam tikrai įtampai, pavyzdžiui, 12 V, nanodavinio rotoriaus elektrinis sukimo momentas yra 4, 33 pN μm.

Image

a ) Didelis (mėlynas), mažas (rausvai raudonas) ir vidutinis (juodas) nanomotoriaus (rotoriaus: Au (4, 5 μm) / Ni (1 μm) / Au (4, 5 μm) nanovielių, 2 μm įstrižainės guolių sukimosi greitis plonos plėvelės pluoštas Au (100 nm) / Ni (80 nm) / Cr (6 nm)) tiesiškai didėja naudojant V 2 (tas pats buvo stebimas nanomotoriams, kurių guoliai nuo 500 nm iki 1 μm, kaip parodyta papildomame 1 pav. 4). Tam pačiam nanovaukui, laisvai besisukančiam pakaboje, sukimosi greitis padidėja, kai V 2 yra statesnis (oranžinis). b ) Nanomotorio momentiniai vaizdai, paimti kas 400 ms, esant 7, 2 ir 7, 3 V kintamajai įtampai, rodo, kad slenksčio įtampa yra 7, 3 V. Skalės juosta, 10 μm.

Visas dydis

Dėl elektriškai poliarizuoto nanorotoriaus ir nanolaidžio išoriniame kintamos srovės E lauke sukeltas sukimo momentas ( τ e ′ ) daro daug mažesnį, nors ir nereikšmingą, poveikį nanomotoriui nei varomasis elektrinis sukimo momentas ( τ e ). Šis sukeltas sukimo momentas turi du vaidmenis, susijusius su nanomotorių sukimu, abu yra proporcingi E 2, taigi ir V 2 : pirma, jis tiesiogiai trukdo nanomotorių sukimui; antra, dėl elektrostatinės traukos, be to, kylančio dėl magnetinio traukos, atsiranda papildomas trinties momentas tarp rotoriaus ir guolio. Šie du efektai gali būti žinomi iš a – V 2 brėžinių, esančių 3a pav., Nuolydžių, kai nanolidinio variklio (mėlynos, juodos ir rausvai raudonos) sukimosi šlaitai yra nuolat mažesni nei tų pačių nanovielių, kai laisvai sukasi (oranžinė). . Atkreipkite dėmesį, kad jokie kiti sukimo momentai, nei magnetiniai ( τ M ), nei trinties sukimo momentai ( τ f ), pateikti 1 lygtyje, nepriklauso nuo išorinių E laukų. Todėl sumažintas nuolydis yra vienintelis sukeltų sukimo momentų tarp elektriškai poliarizuotos nanovielės ir guolio rezultatas. Remdamiesi šiuo supratimu, apskaičiuotą sukimo momentą galime apskaičiuoti kaip τ e ′ = bV 2, kur b yra konstanta, lygi −2, 52 × 10 −21 (N m V −2 ), atsirandanti iš laisvo / įtvirtinto nanovidinio sukimosi 3a pav. B vertė yra ~ 1/10, palyginti su elektriniu sukimo momentu ( τ e ), parodantį neabejotiną sukeltų elektrinių sukimo momentų poveikį metalinių NEMS įtaisų komponentams.

Atsižvelgiant į pasipriešinimą ( τ η ), elektrinį ( τ e ) ir sukeltus sukimo momentus, susijusius su poliarizacija ( τ e ′ ), nuo E lauko nepriklausančių magnetinių ( τ M ) ir trinties sukimo momentų ( τ f ) sumą, nanolidinius rotorius galima lengvai sužinoti iš (1) lygties. Sudėtiniai ( τ M + τ f ) sukimo momentai turi sinusoidinę savybę, kaip parodyta 2d pav., Kuri skaičiuoja nuo kampo priklausomą periodinį nanomotorių sukimąsi 2b, c pav. (Papildomas 2 pav.). Norėdami aiškiai suprasti magnetinio ir trinties momentus, modeliuodavome sistemą, naudodami supaprastintą magnetinio dipolio ir dipolio sąveiką 37 . Kaip parodyta 1b paveiksle, nuo kampo priklausomas magnetinis sukimo momentas tarp rotoriaus ir guolio yra nustatomas pagal nanodalelės ( m 1 ) ir guolio ( m 2 ) horizontalius magnetinius momentus, pateiktus τ ( x , Θ, m 1, m 2 ) = μ 0 ( m 1 m 2 sin Θ) / (4 πx 3 ), o nuo kampo priklausoma magnetinė jėga yra F ( x , Θ, m 1, m 2 ) = 3 μ 0 ( m 1 m 2 cos Θ) (4 πx 4 ) + c , kur μ 0 yra vakuumo magnetinis leistinumas , Θ yra kampas tarp m 1 ir m 2, x yra atstumas tarp nanosriegio ir Ni sluoksnio nanodalyje, o konstanta c - tai magnetinė jėga, kurią sukelia nanodalelių magnetiniai momentai vertikalia kryptimi ( m 3 ) ir nanodailės horizontalus magnetinis momentas ( m 1 ). Jei trinties koeficientas nano laido ir guolio sąsajoje yra μ , trinties sukimo momentas τ f = μF , tada ( τ M + τ f ) gali būti parašytas taip:

Image

kur d , e ir f yra konstantos, θ ir θ M yra atitinkamai nanolidžio ir nanokrūvio magnetinės orientacijos kampinės padėtys ir Θ = θ - θ M. Tinkant eksperimentiškai gautą sukimo momentą ( τ M + τ f ) palyginti su θ 2d pav., Mes lengvai ištraukėme nuo kampo priklausomą magnetinį sukimo momentą τ M = −8, 19 × 10 −19 sin (θ − 27 °) (N m). ir trinties sukimo momentas τ f = –1, 71 × 10 –19 cos (θ – 27 °) (N m) esant 12 V ir 10 kHz, kaip parodyta 2e pav. Taikant tą patį metodą, d , e , f ir θ M vertės taip pat buvo nustatytos 10 ir 11 V, kurios rodo puikų suderinamumą su vertėmis, gautomis esant 12 V įtampai (3 papildomoji pastaba ir 1 papildomoji lentelė). Šie rezultatai labai palaiko mūsų modeliavimą, kai magnetinis ir jo sukeliamas trinties momentas nepriklauso nuo taikomo E lauko. Taip pat pažymime, kad didžiausias sukimosi greitis ( ω max ) neatsirado ir tada, kai magnetinio sukimo momento didžiausia vertė ( τ M, max ) ta pačia kryptimi kaip ir važiuojamasis E laukas, kai magnetinis sukimo momentas lygus nuliui ( τ M, 0 ) suderinimas su guolio magnetine orientacija arba tada, kai trinties sukimo momentas turi mažiausią vertę ( τ f, min ). Didžiausias / mažiausias greitis įvyko tada, kai ( τ M + τ f ) suma buvo didžiausia / mažiausia, atsižvelgiant į elektrinį sukimo momentą (2f pav. Įdėta dalis).

Modeliavimo ir sukimo momento analizės pagrįstumą galima dar labiau patvirtinti nubraižant eksperimentiniu būdu gautą didžiausią ( ω max, mėlyna) ir mažiausią sukimosi greitį ( ω min, rausvai raudona) nanomotorius esant kiekvienai taikomai įtampai ( V ) kaip V 2 funkcijas ( 3a pav.). Tiek ω min, tiek ω max tiesiškai didėja esant V 2, lygiagrečiam vidutinio sukimosi greičio ( ω AVG, juoda), palyginti su V 2, greičiui, tačiau vertikaliai nukreipti. Derindami (1) - (4) lygtis gavome

Image

kur δ = arktanas ( e / d ). ω max ir ω min atsiranda tada, kai atitinkamai sin (θ − θ M + δ ) = ± 1. V 2 priklausomybė lygtyje (5) atitinka 3a pav. Eksperimentiškai rastą of min ir de max V 2 priklausomybę. Pastovus nuolydis

Image
iš ω – V 2 sudaro lygiagrečius ω max – V 2 , ω min – V 2 ir ω AVG – V 2 nuolydius 3a pav. Be to, ω min - V 2 x taškas gali būti naudojamas norint įvertinti slenkstinę įtampą ( V tūkst. ), Reikalingą nanomotorių sukimui inicijuoti. Tai prognozuoja ribinę įtampos vertę
Image
varikliui su 2 μm skersmens guoliu. Ši numatoma vertė yra labai artima eksperimentiškai gautai 7, 3 V vertei, nes nanomotoriui nepavyko pasukti viso ciklo iki 7, 2 V (3b pav.). Tai rodo, kad minimali įtampa, reikalinga nanomotoriniam sukimui inicijuoti, turėtų viršyti maksimalią kombinuotų magnetinių ir trinties sukimo momentų ( τ M + τ f ), priešingų elektriniam sukimo momentui, vertę. Apibendrinant galima pasakyti, kad mūsų modeliavimas kokybiškai atskleidė skirtingų nanomotorinių sukimo momentų, dalyvaujančių nanomotorinėje sistemoje, skirtingus vaidmenis, kurie puikiai atitiko eksperimento rezultatus. Nauji šio tyrimo supratimai gali būti pritaikyti projektuojant įvairius metalinius NEMS įtaisus.

Užsakyti nanomotorių masyvai

Norint praktiškai naudoti nanomotorius reikmėms, svarbu įvertinti kontroliuojamumą, tvirtumą ir efektyvumą, surenkant ir sukant nanomotorių masyvus. Mes nubraižėme ir pasukome 2 x 2 ir 1 × 3 nanovaitinių variklių matricas, kaip parodyta 4a, b paveiksluose ir 2 ir 3 papildomuose filmuose. Manipuliuoti ir surinkti nanomotorius nereikia papildomų įgūdžių, nes sistema yra vartotojo sąsaja. draugiška programinė įranga. Vienam varikliui surinkti po treniruotės ir keletą kartų mankštinti prireikė tik ~ 10 s, pavyzdžiui, K-12 studentui. Paprastai reikėjo <1 min surinkti 2 × 2 matricą. Nors surinkimo efektyvumas jau yra daug didesnis nei naudojant tradicinius litografijos metodus, kuriems reikalingi pažangūs įgūdžiai, mokymas ir išsilavinimas, šiuo metu kuriame intelektualią sistemą, skirtą automatizuoti nanosienų atpažinimą ir manipuliavimą, kad dar labiau padidintume nanomotorių surinkimo efektyvumą. . Visi masyvo nanomotoriai tuo pačiu metu įsijungė, sustojo ir sukosi priešingai. Greitis ir chirališkumas buvo tiksliai kontroliuojami veikiančio kintamojo srovės E lauko įtampomis ir fazių poslinkiais (4c pav.). Atskirų nanomotorių sukimosi greičiai šiek tiek skyrėsi, nes atskirų nanovielių ir guolių matmenys, taip pat jų sąsajos skiriasi.

Image

a ) 2 × 2 nanomotorinių matricų, besisukančių CW esant 12 V ir 10 kHz, schemos ir momentinės nuotraukos. b ) 1 × 3 nanomotorinio matricos vaizdas iš dalies sutampa, esant 15 V ir 10 kHz dažniui. Svarstyklės, 10 μm. c ) Nanomotorių sukimosi greitį galima tiksliai valdyti naudojant kintamosios srovės E laukus, kaip parodyta sukimosi kampu ( θ ), priklausomai nuo laiko, esant 15–11 V ir 10 kHz. Nanomotoriai gali akimirksniu pasisukti tiek CW (mėlyna), tiek CCW (rausvai raudona) kryptimis ir sustoti pareikalavus.

Visas dydis

Ypač greitas nanomotorių sukimasis

Kaip greitai galiausiai gali pasisukti nanomotoriai? Norėdami patikrinti ribą, mes optimizavome kintamos srovės E lauko intensyvumą ir dažnį. Kaip aptarta anksčiau, nanomotorių sukimosi greitis didėja, kai E 2 . Paprasčiausiai susiaurinę kvadrupolinių elektrodų tarpelį nuo 500 iki 100 μm, mes lengvai padidinome E 2 625 kartus. Sukimosi greitis taip pat priklauso nuo naudojamo kintamosios srovės dažnio. 10 μm Au / Ni / Au nanosienų, esančių DI vandenyje, didžiausias sukimosi greitis eksperimentiškai buvo gautas esant 30 kHz E laukui (papildomas 3 pav.). Taikydami šias optimizuotas sąlygas, mes pasukome nanomotorius bent 18 000 aps / min greičiu, esant 17 V, kaip parodyta 4 papildomame filme (1 200 kadrų per sekundę) ir 5a pav. Sukimosi orientacija buvo CW, nustatyta pagal sulėtintą judesį 5 papildomame filme (14 V). Sutikdami su kitais mūsų rezultatais, sukimosi greitis (ne mažesnis kaip 18 000 aps / min) buvo proporcingas E 2 arba V 2, kuris skaičiuojamas esant dideliam greičiui tik esant 17 V (5a pav.). Kiek mes žinome, toks sukimosi greitis yra didžiausias, pasiekiamas natūraliais arba žmogaus sukurtais to paties masto varikliais. Tai tokio pat greičio reaktyvinis variklis, tačiau jis vis dar nėra riba. Palyginimui, didžiausias nanomotorių su guoliais, skirtais fiksuotai sukimosi vietai, greitis yra 44, 4–498 aps / min, gaunamas iš organinių – neorganinių hibridinių nanomotorių 13 .

Image

a ) Nanomotorių sukimosi greitis ( ω ) nuo 10 iki 17 V, esant 30 kHz, esant 100 μm tarpo keturkampiui mikroelektrodui. (Pradinis) kampas ( θ ), palyginti su laiku, kai nanomotoris sukasi CW greičiu ~ 18 000 aps / min. ( B ) Patobulinti momentiniai vaizdai, nufotografuoti kas 0, 8 ms to paties nanomotoro, besisukančio esant ~ 18 000 aps / min, esant 17 V ir 30 kHz dažniui.

Visas dydis

Itin maži nanomotoriai

Vienas didžiausių nanomotorių pranašumų yra mažas jų pėdsakas. Jokie fiziniai principai netrukdo sukti net mažesnių variklių. Naudodamiesi mikroskopu, turinčiu × 100 aliejaus panardinimo objektyvo ir plonais dangteliais, kaip substratus, mes aiškiai stebėjome kontroliuojamą nanomotorių, pagamintų iš trijų segmentų, nanonominių rotorių, kurių skersmuo 165 nm, o ilgis 800–900 nm, sukimąsi (Au (350–350) 400 nm) / Ni (100 nm) / Au (350–400 nm)) ir 200 nm skersmens magnetiniai guoliai (pagaminti iš trijų sluoksnių plonos plėvelės pluošto Au (20 nm) / Ni (80 nm) / Cr (6 nm)) (6a – c pav.). Visi būdingi nanomotorių matmenys yra <1 μm, tai yra bent 10 kartų mažesni nei šiuolaikinių mikromotorių, pagamintų taikant metodą „iš viršaus į apačią“. Nanomotoriai yra dar mažesni nei varikliai, pagaminti iš nanovamzdelių 12 . Nanomotoris sukasi tiek CW, tiek CCW kryptimis 15 V ir 50 kHz dažniu, kaip parodyta 6d pav., E ir 6 papildomame filme. Sukimosi greitis nėra toks tolygus, kaip kelių mikrometrų ilgio nanodangų varikliams, kurie gali būti priskiriami stipresniems Browno judesiams, aptiktiems mažesniuose pakabos objektuose. Galutinis nanomotorių dydžio apribojimas turėtų būti nustatomas pagal Browno judesius, kuris yra tiriamas. Mes tikimės, kad sugebėsime dar labiau sumažinti nanomotorių ilgį, todėl reikia naujų metodų, apibūdinant jų judesius optiniais mikroskopais.

Image

a ) Sintezuotų „Au / Ni / Au“ nanovielių (800–900 nm ilgio ir 165 nm skersmens) SEM vaizdai. Mastelio juosta, 500 nm. Au (šviesus) ir Ni (tamsus) segmentai yra atitinkamai 350–400 nm ir 100 nm. b ) Iš arti pavaizduotas vieno nanolido vaizdas (mastelio juosta, 300 nm). c ) ~ 200 nm ((Au (20 nm) / Ni (80 nm) / Cr (6 nm) plonos plėvelės pluoštai)) skersmens magnetiniai guoliai (skalės juosta, 100 nm). d ) Sukimosi kampas kaip a Nanomotoriaus, pagaminto iš nanovielių ir magnetinių guolių, sukimosi CW ir CCW laiko funkcija ( ac ) .e) besisukančio nanomotoro momentiniai vaizdai, imami kas 60 ms (magnetinio guolio padėtis paryškinta turkiu; mastelio juosta yra 1 μm). Realaus laiko sukimosi vaizdo įrašas pateiktas 6 papildomame filme.

Nanomotorių patvarumas

Kiek patvarūs yra šie nanomotoriai? Mes atlikome bandymą, kad prietaisai galėtų suktis be trikdžių. Mes nustatėme, kad šie nanomotoriai gali suktis net iki 15 h (7 papildomas filmas), o tai iš viso lemia> 240 000 ciklų (7a pav.). Mūsų žiniomis, tai yra visų sukamųjų variklių, pagamintų iš sintezuotų nanodalelių, trukmė ir ciklų skaičius. Šis našumas pralenkė naujausius Si mikromotorius iš viršaus į apačią 11, parodydami realų mūsų nanomotorių potencialą. Po 15 valandų sukimosi, Au dangtelio sluoksnis ant magnetinio guolio buvo žymiai išlygintas dėl trinties. Skenavimo elektroninio mikroskopo (SEM) vaizdas 7c pav. Rodo galutinį Au storį ~ 15 nm, sumažintą nuo jo pradinio 40 nm storio (7b, c pav.). Nebuvo rastas aiškus nanodangų rotoriaus nusidėvėjimas (7c pav.), O tai galima priskirti prie to, kad Au (Vickers kietumas: 216 MPa) yra daug minkštesnis nei Ni (Vickers kietumas: 638 MPa). Nanomotorių sukimasis buvo galutinai nutrauktas dėl padidėjusios magnetinės traukos jėgos ir dėl mažesnės Au sluoksnio storio dėl didesnės trinties tarp rotorių ir guolių dėl trinties susidėvėjimo.

Image

Nanomotoriai (rotorius: Au (350–400 nm) / Ni (100 nm) / Au (300–400 nm), 165 nm skersmens; guolis: ~ 200 nm skersmens, plonos plėvelės pluoštas Au (40 nm) / Ni (80 nm) / Cr (6 nm)) galima nepertraukiamai sukti iki 15 h. a ) sukimosi greitis, palyginti su laiku, esant 15 V ir 30 kHz kintamos srovės E laukams. Eksperimentiniai duomenys pateikiami kaip juodi taškai su mėlyna punktyrine tendencijos linija. b ) Pagaminto magnetinio guolio SEM atvaizdai. c ) magnetinio guolio ir nanodavinio rotoriaus SEM atvaizdai po 15 valandų sukimosi. Mastelio juostos, 200 nm.

Visas dydis

Kontroliuojamas biocheminis nanomotorių išsiskyrimas

Galiausiai, kaip parodyta 8a pav., Buvo įrodyta, kad nanodaviniai varikliai gali būti naudojami kontroliuojant sukimąsi kontroliuojamu biocheminiu išleidimu. Šiame tyrime mes pasirinkome Nilo mėlynos spalvos molekules, norėdami parodyti kontroliuojamą molekulių išsiskyrimą mechaniškai besisukančiais nanomotoriais, atsižvelgiant į jų didelius Ramano sklaidos skerspjūvius optiniam apibūdinimui ir platų naudojimą paženklinant biologines molekules biologiniam tyrimui. Funkcionalizuodami nanovaitinių rotorių paviršių su paviršiumi padidintomis Ramano sklaidos (SERS) jautriomis Ag nanodalelėmis (4 papildomoji pastaba) 38, Ramano spektroskopijos būdu aptikome Nilo mėlynųjų molekulių išsiskyrimą iš vieno besisukančio nanomotoriaus (Papildomas filmas 8). Išleidimo sparta ( k ) monotoniškai didėja, keičiantis nanomotorių sukimosi greičiams (8b pav.; 5 papildomoji figūra ir 5 papildomoji pastaba). Biocheminį išsiskyrimą iš nanodalelių galima nuspėjamai valdyti mechaniniu sukimu, kuris yra visiškai naujas biocheminio išsiskyrimo paleidimo mechanizmas 39 . Pagrindinį principą galima priskirti nejudančių difuzinių sluoksnių storio pokyčiams, kurie bus tiriami kitur. Toks molekulių atpalaidavimo mechanizmas yra pritaikomas ne tik jautrioms Raman molekulėms, bet ir bet kurioms dominančioms biocheminėms medžiagoms, tokioms kaip vaistai, citokinai, DNR, antigenai ir antikūnai.

Image

a ) Biocheminių medžiagų sukimosi kontroliuojamo išsiskyrimo iliustracija (ant nanomagnetų pritvirtintas variklis yra jautrus paviršiaus padidintam Ramano sklaidai (SERS), tai yra silicio dioksido apvalkalo Au – Ni – Au nanodaleliai su vienodais paviršiaus pasiskirstymo Ag nanodalelėmis). Nanomotoris funkcionuoja su Nilo mėlyna spalva (rožine spalva). b ) Išleidimo sparta k monotoniškai didėja, keičiantis nanomotorių sukimosi greičiams.

Visas dydis

Biocheminio išleidimo nanomotorių demonstravimas, kaip parodyta aukščiau, vis dar vyksta nebiologinėje aplinkoje. Norint ištirti nanomotorių pritaikymą ir apribojimus biokomplekte, reikia atlikti daugiau eksperimentų. Taip pat bus įdomu ištirti kelių nanomotorių išsiskyrimo charakteristikas. Ankstesniame darbe mes sėkmingai panaudojome elektrinius pincetus, kad pateiktume vaistais funkcionuojančius nanodaustus į vieną gyvą ląstelę, esant daugybei, ir apibūdintus 5 ląstelės atsakymus, kurie įrodė elektrinių pincetų suderinamumą su faktine bioaplinkos 5 . Čia taip pat turėtų būti įmanoma surinkti ir įjungti nanomotorius biokomplekte, nes naudojama ta pati elektrinių pincetų technika. Mes įsivaizduojame, kad nanomotoriai yra unikali priemonė suderinamam biocheminių medžiagų išleidimui į vieną gyvą ląstelę, kuri yra svarbi norint suprasti pagrindinį signalo perdavimą vienaląsčių ląstelių lygiu 5 . Vienas iš numatytų sunkumų yra tai, kaip išdėstyti magnetinius guolius šalia pasirinktų gyvųjų elementų nanomotoriams surinkti. Šią kliūtį būtų galima įveikti pagaminant magnetinius nanodailius vaflių skalėje, kaip parodyta papildomame 6 pav. Augant ląstelėms (paprastai 10 μm) ant tokių pagrindų ir kontroliuojant magnetinių guolių tankį, visada galima rasti keletą magnetinių guolių, esančių arti gyva ląstelė nanomotoriniam surinkimui. Atkreipiame dėmesį, kad reikėtų optimizuoti sąlygas, tai yra į nanomotorius pakrautų cheminių medžiagų kiekį ir nanomotorių atstumo iki ląstelės kontrolę. Reikėtų išbandyti įvairius dominančius biocheminius produktus, išskyrus Nilo mėlynąjį. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad nanomotoriai gali išleisti chemines medžiagas šalia ląstelių, tuo tarpu jie negali tiekti cheminių medžiagų į ląsteles, kaip parodyta kitose ataskaitose. Nanomotoriams naudojamos medžiagos turėtų būti kruopščiai parinktos. Biologiškai nesuderinamos medžiagos, tokios kaip Ni, esantys nanolaidų ir magnetiniuose guoliuose, turėtų būti pakeistos biologiškai suderinamomis magnetinėmis medžiagomis, tokiomis kaip geležis, arba padengtos ląstelėms ir biologinėms molekulėms nekenksmingomis medžiagomis. Taip pat aukščiau aprašytas metodas yra tinkamas pavienių / kelių ląstelių tyrimams in vitro . Tai netaikoma in vivo tyrimams. Kalbant apie pritaikymą in vivo , šiame darbe mes nustatėme, kad biocheminių medžiagų išsiskyrimo greitį galima valdyti mechaniškai besisukančiomis nanodalelėmis. Jei norime kontroliuoti cheminių medžiagų, patenkančių į žmogaus kūną nanodalelėmis, išsiskyrimo greitį, mes turėtume tiesiogiai pasukti tas nanodaleles in vivo , nuotoliniu būdu pritaikydami elektromagnetinius laukus. Nanodalelių integracija į norimą organizmą galėtų būti įgyvendinta remiantis nusistovėjusia vietai specifine biokonjugacijos technika 40 . Endoskopą primenantis prietaisas tam tikroje vietoje galėtų generuoti aukšto dažnio kintamąjį lauką. Visa tai reikia išsamiai ir kruopščiai ištirti; ypač nežinomas dešimties kHz aukšto dažnio E laukų biologinis suderinamumas su gyvu organizmu. Apskritai mes pademonstravome suderinamą biocheminį išsiskyrimą nanomotoriais paprastoje vandeninėje aplinkoje. Tolesni aukščiau aptarti eksperimentai yra kitas mūsų darbas, siekiant ištirti jo naudojimą realiame biokomplektavimo procese. Jei pavyks, suderinamas biocheminių medžiagų išsiskyrimas iš nanomotorių gali būti lemiamas veiksnys tiriant vienaląstelę stimuliaciją, ląstelių-ląstelių komunikaciją, sistemos biologiją ir vaistų tiekimą.

Diskusija

Apibendrinant, mes parodėme novatorišką sukamųjų NEMS įtaisų projektavimą, surinkimą ir įjungimą, naudojant strateginį „iš apačios į viršų“ nano surinkimo ir manipuliavimo techniką - elektrinius pincetus, apie kuriuos buvo pranešta anksčiau. Užsakytas nanomotorių matricas galima efektyviai surinkti ir sinchroniškai sukti kontroliuojamu kampu, greičiu ir chiralitetu. Sukimosi greitis gali būti bent 18 000 aps / min, o tai vis dar nėra riba. Kiekybiškai modeliuojamos ir nustatomos įvairios nanomotorinėje sistemoje esančios sudėtingos nanomalio jėgos ir sukimo momentai, o tai yra būtina norint suprasti, projektuoti ir įjungti įvairius metalinius NEMS įtaisus. Nanomotoriai, kurių visi matmenys yra <1 μm, gali nuolat suktis iki 15 h daugiau nei 240 000 ciklų. Jie buvo pademonstruoti kontroliuojamam biocheminiam išsiskyrimui paprastu ne biosetiniu būdu ir pristatė naują mechaninį metodą, kaip suderinti biocheminių medžiagų išsiskyrimą iš nanodalelių. Naujovės, apie kurias pranešta šiame tyrime, galėtų sudominti NEMS, bioNEMS, mikrofluidics ir mikroschemų laboratorijas.

Metodai

Nanovielių gamyba

Trijų elektrodų sąrankoje Cu sluoksnis, esantis ant nanoporinio anoduoto aliuminio oksido šablono, Pt tinklelis ir Ag / AgCl elektrodas yra atitinkamai darbinis elektrodas, priešinis elektrodas ir pamatinis elektrodas. Nano laidų augimas prasideda nanoporų apačioje prie darbinio elektrodo. Elektros krūvių, praeinančių per grandinę, kiekis kontroliuoja kiekvieno segmento ilgį. Dėl to buvo susintetinti ir suspenduoti nanodalelių pluoštai, kurių struktūros 100–1 000 nm ilgio Ni segmentai sudaryti iš dviejų 350–500 nm ilgio Au segmentų.

Sukančių E-laukų sukūrimas

Besisukantys kintamosios srovės E laukai gali būti generuojami keturių mikroelektrodų centre, naudojant keturis kintamosios srovės įtampus su 90 ° nuosekliais fazės poslinkiais ant keturių poelektrodų 41 .

Papildoma informacija

PDF failai

  1. 1.

    Papildomi paveikslai, lentelė, pastabos ir nuorodos

    1-6 paveikslai, 1 papildoma lentelė, 1-5 papildomos pastabos ir papildomos nuorodos

Vaizdo įrašai

  1. 1.

    1 papildomas filmas

    Nanodama „Au / Ni / Au“ (10 μm ilgio ir 300 nm skersmens) buvo tiksliai surinkta ant nanopluošto, padengto trisluoksniais elementais, naudojant manipuliavimo elektriniais pincetais metodą. Magnetinis traukos taškas tarp nanodavinio ir nanolaidžio pritvirtino nanodaviklį ant nanodaviklio, tačiau vis tiek leido pasisukti. Vaizdo įrašas buvo patobulintas.

  2. 2.

    2 papildomas filmas

    Sinchroninis 1 × 3 nanomotorių matricų sukimasis esant 15–13 V ir 10 kHz dažniui.

  3. 3.

    3 papildomas filmas

    Sinchroninis 2 × 2 nanomotorių matricų sukimasis esant 12 V ir 10 kHz dažniui.

  4. 4.

    4 papildomas filmas

    Itin greitas nanomotorių sukimasis ne mažesniu kaip 18000 aps / min, esant 17 V ir 30 kHz dažniui. Patobulintame papildomame filme 4 parodytas nanodaviklio rotoriaus judėjimas esant 17 V realiuoju laiku.

  5. 5.

    5 papildomas filmas

    Itin greitas nanomotorių sukimasis ne mažesniu kaip 18000 aps / min, esant 17 V ir 30 kHz dažniui. Patobulintame papildomame filme 5 parodytas to paties nanomotoro sukimasis, sulėtintas 40 kartų, esant 14 V, patvirtinantis, kad sukimosi orientacija vyksta pagal laikrodžio rodyklę.

  6. 6.

    6 papildomas filmas

    Pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę nanomotorių sukimasis esant 15 V, 50 kHz dažniui su 800–900 nm ilgio ir 165 nm skersmens rotoriais ir ~ 200 nm skersmens magnetiniais guoliais. Čia keturkampiai mikroelektrodai (500 μm × 500 μm) buvo įstatyti į tiesioginį nanomagneto viršų, atskirti PDMS palaikančiąja ~ 0, 5 mm storio plėvele.

  7. 7

    7 papildomas filmas

    Nanomotorio sukimasis 15 valandų 15 V, 30 kHz dažniu.

  8. 8.

    8 papildomas filmas

    Biocheminių molekulių Ramano vaizdo įrašas apie besisukantį SERS jautrų nanomotorą.

Komentarai

Pateikdami komentarą jūs sutinkate laikytis mūsų taisyklių ir bendruomenės gairių. Jei pastebite ką nors įžeidžiančio ar neatitinkančio mūsų taisyklių ar gairių, pažymėkite, kad tai netinkama.