Из свернутой в трубку наномембраны изготовлен струйный движитель

 


Мембраны наноразмера представляют собой большой интерес для исследователей не только в качестве фильтрующих элементов, но также и в таких областях, как гибкая электроника, сверхчувствительные сенсоры, наномедицинские приложения и биомелекулярные исследования. Многие их таких применений требуют трехмерной структуры мембран, например, в форме трубок, колец, винтовых или складчатых поверхностей.

До настоящего времени скручивание сверх-тонких слоев сильно ограничивало выбор материала, во многих случаях приходится привлекать технику создания эпитаксиальных полупроводниковых слоев (ориентированный рост одного слоя на поверхности другого – подложки). При этом, процесс изготовления тонкой мембраны требует применения другой сложной и тонкой техники- гравирования- для снятия мембраны с подложки. Последний не только уничтожает подложку, но и во многих случаях приводит к растворению и самого материала мембраны.

Новый подход, совместно разработанный учеными из Германии и Гонконга теперь обеспечивает контролируемое изготовление трубок из чистого металла или оксида, точно также, как и из множества комбинаций материалов.

Руководит совместным проектом, который финансируется грантом Совета Поддержки Научных Исследований Гонконга (Hong Kong Research Grants Council), доктор Оливер Шмидт (Dr. Oliver G. Schmidt). Группа д-ра Шмидта включает в себя ученых из Института Твердого Тела Макса Планка (Max Planck Institute for Solid State Research) и Департамента Физики и Матераиловедения (Department of Physics and Materials Science) Городского Университета Гонконга (City University of Hong Kong). Исследователи отмечают, что теперь они могут изготовить нанотрубки из чистого металла, оксида и, практически любого другого твердотельного материала, что открывает перспективы в различных областях науки от фотоники до биофизики, например, кольцевые оптические резонаторы, магнито-жидкостные сенсоры, дистанционно управляемые струйные движители, и т.д.

Новый метод работает следующим образом. Неорганическая мембрана в напряженном состоянии при низкой температуре депонируется на слой полимера. Далее, полимерная подложка ликвидируется с помощью растворителя, освобождая мембрану, которая, при высвобождении благодаря предварительному напряжению, сворачивается в трубку. Подбор соответствующих параметров процесса дает возможность полного контроля процесса и результирующих диаметров нанотрубок. Поскольку технологические параметры не являются полностью независимыми друг от друга, для каждого нового материала или комбинации материалов требуется подбор режимов напряжения

По словам Йонгфенга Мея при подборе таких режимов, во-первых, учитывается разница в тепловом расширении, которая контролируется подбором соответствующих температур депонирования. Известно, что термические напряжения вызываются разницей в коэффициентах теплового расширения между подложкой и депонированным слоем. В целях улучшить градиент напряжения, мы увеличиваем температуру подложки в самом начале процесса депонирования мембраны.

Вторым важным параметром депонирования является скорость нанесения покрытия, которая особенно ощутима при использовании процессов испарения и физического вакуумного напыления. Различные скорости депонирования могут привести к различной зернистости слоев, которая, в свою очередь, влияет на уровень напряженности мембраны. Диаметр трубки как функция толщины пленки мембраны согласуется с кривой для разницы напряжений, что означает хорошую контролируемость напряженного состояния скоростью нанесения покрытия.

В-третьих, релаксация и усиление напряжения в продолжение процесса депонирования сами по себе могут привести к значительным градиентам напряжений и вызвать сворачивание в трубку освобожденного слоя.

Ученые из группы Йонгфенга Мея использовали новую технологию для создания самодвижущихся струйных микродвижителей для возможной доставки лекарств в определенные места организма. Авторы подчеркивают, что такие комплексные микромашины могут работать автономно, аналогично биологическим микроорганизмам, превращая химическую энергию локальной окружающей среды в кинетическую энергию своего движения.

Группа изготовила образец каталитического трубчатого струйного двигателя, используя титан-железо-золото-серебряную многослойную мембрану. Внутри микродвигателя перекись водорода разлагается на воду и кислород в результате каталитической реакции между перекисью водорода и серебром внутренней стенки. Пузырьки кислорода, выходящие из одного из отверстий, вызывают движение микроустройства, которое отличается направленностью и быстротой.


Источник: NanoNewsNet