Серийное производство наноподшипников

 


В настоящее время внимание исследователей в области нанотехнологий привлечено к разработке так называемых наноэлектромеханических систем (НЭМС). Эти устройства нанометрового размера, осуществляющие преобразование механической нагрузки в электрический сигнал и обратно, рассматриваются в качестве основы будущих нанороботов, а также систем обработки, записи и передачи информации. В отличие от современных устройств подобного назначения, описываемые системы включают в себя элементы нанометровых размеров и потому обладают на порядки более высокой информационной емкостью и удельной скоростью обработки информации. Одним из элементов НЭМС является наноподшипник на основе многослойной углеродной нанотрубки (УНТ). В то время как внутренний слой этой нанотрубки закреплен на неподвижной оси, внешние слои благодаря слабому взаимодействию между слоями могут вращаться относительно этой оси в результате воздействия электрического поля на прикрепленную к ним металлическую пластинку. Подобная конструкция описана и испытана достаточно давно (2000 г.), однако до сих пор она не получила массового распространения, что связано с чрезвычайными техническими трудностями при манипуляциях с объектами нанометровых размеров.

Недавно благодаря усилиям, предпринятым в одном из научных институтов Швейцарии (A Subramanian et al. Nanotechnology 18, 075703 (2007)), был достигнут определенный прогресс на пути создания серийного производства наноподшипников. Важнейшей при изготовлении наноподшипника является процедура заострения многослойной УНТ, в результате которой с нанотрубки в области ее наконечника удаляется некоторое количество внешних слоев. Это придает нанотрубке форму телескопической антенны или удочки, внутренние слои которой могут вытягиваться либо фиксироваться, в то время как внешние слои свободно вращаются вокруг своей оси. С целью реализации указанной процедуры на кремниевую подложку методом электронно-лучевой литографии с помощью резиста на основе полиметилметакрилата наносятся наноэлектроды, состоящие из слоя хрома толщиной 15 нм и слоя золота толщиной 45 нм. Наноэлектроды шириной 300 нм, отстоящие друг от друга на расстояние 350 нм, покрывают изолирующим слоем оксида толщиной 500 нм. Многослойные УНТ, полученные стандартным электродуговым методом, наносят в виде суспензии в этаноле на наноэлектроды, после чего покрывают сверху слоем хрома толщиной 15 нм и слоем золота толщиной 45 нм. Это приводит к образованию наноструктуры, обработка которой методом электрического пробоя в воздухе позволяет получить желаемую решетку наноподшипников. Указанный метод основан на явлении испарения внешних слоев многослойной нанотрубки в результате пропускания через нее некоторого, достаточно высокого электрического тока.

При этом важно подобрать величину тока таким образом, чтобы, с одной стороны, удалить нужное число слоев нанотрубки, а с другой стороны – предотвратить её полное термическое разрушение. Многочисленные эксперименты показывают, что при напряжении 2,5 В оптимальная величина тока через нанотрубку, удовлетворяющая указанным требованиям, составляет около 1 мА. Возможные типы движения внешних слоев нанотрубки относительно фиксированных внутренних слоев показаны на рис. 1. На рис. 2 схематически представлена конструкция наномоторчика на основе разработанных наноподшипников. Пластинки, прикрепленные к внешним слоям нанотрубки, вращаются независимо под действием независимых источников вращающегося электрического поля.

Нанотехнологическое сообщество "Нанометр"