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  • El motor de grafeno de un nm de grosor imita al motor de dos tiempos

    En el motor de grafeno, la rápida expansión de volumen de las moléculas de fluoruro de cloro por un láser provoca una alta presión interna y hace que la membrana de grafeno se abulte hacia arriba como una ampolla. El movimiento hacia arriba y hacia abajo de la ampolla es similar al movimiento de un pistón en un motor de combustión. Crédito:Lee, et al. © 2014 Sociedad Química Estadounidense

    (Phys.org) —Puede parecer imposible que una pieza de grafeno de 1 nm de espesor, hecha de una sola capa de átomos de carbono y que contiene algunos átomos de cloro y flúor, pueda funcionar como un motor de combustión de dos tiempos. Después de todo, en la macroescala, Los motores de dos tiempos se utilizan a menudo para alimentar dispositivos como motosierras y motocicletas. Aunque la versión a nanoescala también es muy potente, sus aplicaciones potenciales en nanodispositivos de próxima generación serían, por supuesto, muy diferentes.

    Aunque los diseños de motores micro / nano a menudo se inspiran en motores macroscópicos, este es el primer motor a nanoescala que imita a un motor de combustión interna, a pesar del uso generalizado de motores de dos y cuatro tiempos desde el 19 th siglo.

    Investigadores Jong Hak Lee, et al., del grupo del profesor Barbaros Özyilmaz en el Centro de Investigación de Grafeno de la Universidad Nacional de Singapur, han publicado un artículo sobre el diminuto motor de grafeno en un número reciente de Nano letras .

    "La belleza de este enfoque es que nuestro motor es muy simple y prácticamente no tiene subproductos (escape), tampoco necesitamos condiciones laborales específicas; por lo tanto, creemos que este es un motor viable para nanomáquinas para aplicaciones variadas, "Lee dijo Phys.org . "Similar al de los vehículos cotidianos, Un nanomotor o rotor que pueda generar movimiento direccional a nanoescala es esencial para aplicaciones de nanomáquinas o nanorobóticos. Se sabe que el grafeno tiene la mayor resistencia entre los materiales, que es muy útil para esta aplicación. Esta es la primera vez que alguien ha explorado el grafeno para tales aplicaciones. Entonces, Esperamos que nuestro trabajo inspire a otros grupos a idear muchas más aplicaciones potenciales ".

    Mientras que en un motor convencional de dos tiempos, un pistón se mueve hacia arriba y hacia abajo para generar una alta presión, en la capa de grafeno de un solo átomo de espesor, el grafeno es en sí mismo el pistón. Cuando un rayo láser irradia un punto en el grafeno, hace que el grafeno forme una pequeña ampolla con forma de cúpula. Encender y apagar rápidamente el láser hace que la ampolla se eleve repetidamente y se vuelva plana nuevamente, similar al movimiento de un pistón.

    Parte de la razón por la que esto funciona es debido a las propiedades mecánicas únicas del grafeno, especialmente su alta elasticidad y resistencia. Pero para que funcione el motor de grafeno, los investigadores también tuvieron que insertar fluoruro de cloro (ClF 3 ) moléculas en la red de grafeno. El ClF 3 Las moléculas y los átomos de carbono del grafeno se mantienen unidos por enlaces iónicos carbono-flúor.

    Cuando se expone al rayo láser, estos lazos se disocian, lo que conduce a un rápido aumento de la presión entre el grafeno y su sustrato. Esta presión es de aproximadamente 1 millón de Pa, que es varias veces más alta que la presión promedio de un neumático de automóvil. La alta presión a su vez conduce a la formación de una ampolla. Una vez que se apaga el láser, el ClF 3 las moléculas se absorben químicamente en el grafeno, los enlaces iónicos se reforman, la presión disminuye, y la ampolla desaparece.

    Los científicos observaron que el tamaño de la ampolla varía con la potencia del láser. Por ejemplo, La potencia del láser de 0,32 mW da como resultado una ampolla con un diámetro de aproximadamente 550 nm. Por encima de 8,5 mW de ciclos repetidos, la presión se vuelve tan alta y la expansión de volumen tan grande que la ampolla estalla.

    Los investigadores demostraron que el motor de grafeno muestra una fiabilidad excepcional. Después de las 10, 000 ciclos, el motor sigue funcionando sin degradación. El motor de grafeno también es muy eficiente energéticamente.

    En el futuro, los investigadores quisieran mejorar el motor explorando los parámetros de iluminación y la velocidad de encendido / apagado, así como conectar el motor a una carga objetivo. También esperan investigar sus diversas aplicaciones potenciales.

    "Como una simple aplicación de este nano motor, Podríamos usar este movimiento abultado del nano motor de grafeno como una bomba o válvula para una aplicación de nanofluidos, ", Dijo Lee." En última instancia, Nuestro nuevo motor se puede integrar fácilmente en varias aplicaciones combinando técnicas MEMS o NEMS para transferir la fuerza generada a cada uno de los componentes. En el futuro, se puede implantar fácilmente en nanorobots y otras nanomáquinas ".

    © 2014 Phys.org




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