211service.com
Praktické využití grafenových nanostrojů
Mnoho dnešní spotřební elektroniky se spoléhá na mikroskopické stroje. Tato drobná zařízení se nacházejí v senzorech pohybu chytrých telefonů, inkoustových tiskových hlavách a spínačích, které aktivují některé zobrazovací pixely, abychom jmenovali jen několik součástí.
Strojní výroba: Na povrchu tohoto křemíkového plátku je natažen průhledný list grafenu. Grafen může oscilovat nad otvory v křemíku pod ním a fungovat jako nanomechanické zařízení zvané rezonátor.
Zmenšení těchto elektromechanických strojů až na nanoměřítko by umožnilo nová zařízení, jako jsou extrémně citlivé chemické senzory, neuvěřitelně přesné akcelerometry a superrychlé spínače integrovaných obvodů. V důležitém kroku k tomuto cíli vytvořili vědci z Cornell University velká pole nanoměřítek rezonátorů pomocí grafenu.
Atomově tenká forma uhlíku zvaná grafen patří mezi nejslibnější materiály pro výrobu nanoelektromechanických systémů (NEMS). Grafen je nejpevnější známý materiál a nejvíce elektricky vodivý. Atomově tenká velikost grafenu znamená, že je také neuvěřitelně lehký a může se pohybovat velmi rychle. Cornell profesor fyziky Paul McEuen říká, že grafen lze použít k vytvoření velkého množství nanozařízení se zařízením vyvinutým pro leptání křemíkových čipů na plochých destičkách. Stavba mechanických nanostrojů z grafenu je ale náročná a většina dosud vytvořených zařízení byla jednorázová.
McEuen a kolega Cornell profesor Harold Craighead nyní ukázali, že dokážou vyrobit grafenová nanozařízení zvaná rezonátory na povrchu křemíkového plátku. Každý rezonátor je vyroben z filmu grafenu, který kmitá tam a zpět, jako trampolína pohybující se nahoru a dolů, v reakci na mechanickou sílu působící na jeho povrch nebo na elektrické pole.
Skupina Cornell nejprve vyleptala příkopy do povrchu křemíkového plátku. Potom plátek překryli filmem grafenu narostlým na mědi. Grafen se přilepí na povrch křemíkového plátku jako plastový obal. Výzkumníci nakonec přidali elektrické kontakty do grafenu, aby dokončili rezonátory. Práce je popsána online v časopise Nano dopisy .
Vyrábíme velké množství identických rezonátorů, což ukazuje přechod od laboratorního experimentu k technologii, říká McEuen. Předchozí nanorezonátory vyrobené v tomto měřítku byly buď mnohem tlustší a méně citlivé, nebo se musely vyrábět jeden po druhém. Dvě hlavní překážky při implementaci nanozařízení jsou škálovatelnost a reprodukovatelnost výkonu, říká Alex Zettl , profesor fyziky na Kalifornské univerzitě v Berkeley. Zettl vyrobil podobná zařízení z uhlíkových nanotrubic, včetně rádia vyrobeného z jedné uhlíkové nanotrubice. Použití jednovrstvého grafenu umožňuje vyrobit mnoho zařízení v jednom záběru s podobným výkonem, říká Zettl.
Grafenové nanorezonátory by mohly vyrábět velmi citlivé chemické detektory nebo akcelerometry. Pozastavené grafenové filmy reagují dramaticky, když je přidána jakákoliv hmotnost – dokonce i jen molekula nebo atom. Velmi silně se spojuje s vnějším světem, což vytváří dobrý senzor, říká McEuen.
Rod Ruoff , profesor strojního inženýrství na Texaské univerzitě v Austinu, který je průkopníkem techniky růstu a přenosu grafenu používanou skupinou Cornell, říká, že tato práce ukazuje, že tento typ grafenu funguje dobře v nanomechanických systémech. Ale Ruoff říká, že vidí prostor pro zlepšení ve výkonu rezonátorů.
Výzkumníci Cornell nyní pracují na tom, aby posunuli grafenové rezonátory na jejich maximální výkonové limity. Krystalická struktura grafenu, která určuje jeho sílu a elektrickou vodivost, není v dosud vyrobených Cornell zařízeních dokonalá.
Vědci také doufají, že využijí kvantové efekty, které se vyskytují v nanoměřítku. To by mohlo zlepšit jejich citlivost, říká McEuen.