Цей тиждень виявився врожайним на новині, пов'язані з прикладними застосуваннями графену та інших нано-матеріалів. Спочатку був ультратонкий транзистор, тепер у тому ж журналі Nano Letters опублікували статтю про розробку молекулярного нано-двигуна, в якому графеновий шар відіграє ключову роль. Цей двигун складається з високо-еластичної мембрани, що грає роль поршня, і молекул ClF3, які є робочим тілом. Обсяг робочого тіла змінюється під впливом лазера. Нано-двигун розвиває тиск до 106 Па і витримує понад 10 000 циклів.
Двигун складається з частинок графена з включеннями ClF3. Між атомами вуглецю і молекулами ClF3 виникають хімічні зв'язки C-F, які можуть легко дисоціювати. Зокрема, ці зв'язки руйнуються при опроміненні лазером з довжиною хвилі 532 нм. Руйнування зв'язків призводить до того, що молекули намагаються «відсунутися» від атомів вуглецю. У результаті тиск під шаром графена зростає, графен відокремлюється від підкладки, і відбувається формування блістера (бульбашка). При вимкненні лазера графен швидко повертається у свій початковий плоский стан, оскільки реакційна здатність ClF3 дуже висока, і він знову утворює зв'язки з атомами вуглецю. Швидке збільшення об'єму під шаром графіки еквівалентно розширенню робочого тіла і руху поршню в двигуні внутрішнього згоряння. Ключовими параметрами, що визначають потужність двигуна, є тиск, який він здатний витримати, який, у свою чергу, залежить від модуля упругості матеріалу мембрани, газопроникності мембрани та її адгезії до підкладки.
У графені, обробленому рідким ClF3 формуються іонні зв'язки між фтором і вуглецем, в результаті чого формується позитивний заряд, що становить 1/6 дірки на кожен атом фтора. Такі іонні зв'язки можуть бути легко зруйновані, оскільки володіють досить невеликою енергією ауд 54 кДж/моль. Це приблизно в десять разів менше, чес енергія ковалентного зв'язку C-F. Коли квазістабільна молекула ClF3 втрачає свій іонний зв'язок, це призводить до переходу ClF3 в газову фазу і швидкого збільшення тиску. За оцінкою дослідників, внутрішній тиск становить ауд 23 МПа. Такий тиск достатньо для локального відділення графену від підкладки. Завдяки високій міцності графена, модуль Юнга якого може досягати 1 ТПа, і низькій газопроникності, весь газ залишається всередині бульбашки. Структурний аналіз графена показав, що навіть після 10 тисяч циклів, ніяких структурних порушень не відбувається. Автори вважають, що характеристики такого двигуна можуть бути істотно поліпшені шляхом оптимізації параметрів лазерного імпульсу, діаметра пучка, а також підбором найбільш ефективного «робочого тіла».
На жаль, доступ до повного тексту статті платний, але на сайті журналу вільно доступні додаткові матеріали.
______________________