Entwicklung einer Nanokupplung | 2020

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Anonim

Beim Autofahren überträgt die Kupplung das vom Motor erzeugte Drehmoment mechanisch auf das Fahrgestell des Fahrzeugs - eine Kupplung, die in solchen makroskopischen Maschinen seit langem getestet und optimiert wurde und uns hocheffiziente Motoren verleiht. Für mikroskopische Maschinen ist die Entwicklung einer Kupplung, die im Nanomaßstab arbeiten würde, jedoch viel schwieriger, da bei mikroskopischen Längenmaßstäben unterschiedliche physikalische Gegebenheiten berücksichtigt werden müssen. Wärmeschwankungen spielen eine zunehmend dominierende Rolle, da ein Gerät miniaturisiert wird, was zu einer erhöhten Verlustleistung und der Notwendigkeit der Entwicklung neuer Konstruktionsprinzipien führt.

In dem von Wissenschaftlern aus Bristol, Düsseldorf, Mainz, Princeton und Santa Barbara entwickelten Modellmikroskopsystem wird ein Ring kolloidaler Partikel in einer optischen Pinzette lokalisiert und automatisch auf einer Kreisbahn verschoben, wobei eine Drehbewegung auf eine Anordnung identischer Kolloide übertragen wird, die auf beschränkt sind die innere Region.

Dr. Paddy Royall von der Universität Bristol sagte: "Dieses Gerät ähnelt einer Waschmaschine, die Abmessungen sind jedoch winzig. Durch optische Manipulation kann der Partikelring nach Belieben gequetscht werden, wodurch die Kopplung zwischen den angetriebenen und den beladenen Teilen des Geräts verändert wird Montage und Bereitstellen eines kupplungsartigen Betriebsmodus.

Kolloidale Suspensionen fallen in die Kategorie der Materialien, die als "weiche Materie" bezeichnet werden, und es wird gezeigt, dass die Weichheit der Rotationsvorrichtung zu neuen Übertragungsphänomenen führt, die bei makroskopischen Maschinen nicht beobachtet werden. "Die Ausnutzung der Weichheit von Nanomaterialien bietet uns zusätzliche und beispiellose Kontrollmechanismen, die beim Entwurf mikroskopischer Maschinen eingesetzt werden können", erklärte Dr. Royall.

Zusätzlich zu den an der Universität Bristol durchgeführten Experimenten haben Physiker der Universität Düsseldorf Modellcomputersimulationen entwickelt, um die Drehmomentkopplung im Nanobereich weiter zu untersuchen. Dies ermöglicht die Messung der Effizienz von Nanomaschinen, die klein ist, aber durch sorgfältige Kontrolle der Systemparameter optimiert werden kann.

Die Forscher haben drei verschiedene Übertragungsregime identifiziert: Ein festkörperartiges Szenario, das das Drehmoment ähnlich einem makroskopischen Zahnrad überträgt; Ein flüssigkeitsähnliches Szenario, in dem ein Großteil des Energieeintrags durch Reibung verloren geht, und ein für weiche Materialien einzigartiges Zwischenschlupfszenario, in dem Aspekte des feststoffähnlichen und flüssigkeitsähnlichen Verhaltens kombiniert werden.

"Ein grundlegendes Verständnis des Kopplungsprozesses wird uns einen Einblick in den Aufbau von Nanomaschinen geben, bei denen die Drehmomentübertragung unabdingbar ist", sagte Professor Hartmut Loewen von der Universität Düsseldorf.

Die Forschung wird in veröffentlicht Naturphysik .