海阔凭鱼跃 沈海军的航空与纳米 ...分享 http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军 同济大学 教授Email:SHJ@tongji.edu.cn /SHJ@nuaa.edu.cn 版权所有

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纳米艺术之纳米车(配图) 精选

已有 5894 次阅读 2011-9-22 11:34 |系统分类:科普集锦

沈海军 文

 

2009年,印度塔塔汽车公司发布了自称为世界上最便宜的汽车,见图1(左)。这是一款简单得连雨刷器都没有的汽车!汽车长度仅为一般汽车长度的2/3,有四个座位,售价2000美金。该汽车有一个有趣的名字“纳米汽车”。据称,这款车的一些部件的确运用了纳米技术。然而,我们这里要讲的纳米汽车却要比塔塔公司的这款汽车小得多得多,尺寸只有几十微米,乃至几纳米,属于“货真价实”的纳米汽车。这些纳米汽车尺寸之小,肉眼根本无法分辨,只有借助电子显微镜,甚至分辨率更高的扫描探针显微镜才能看得见。

人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将逐个地排列原子,制造产品。这是著名物理学家诺贝尔获得者理查德×费曼1959年对纳米技术的最早梦想。从那以后,人类开始了对纳米世界的探求。近来很多研究致力于包括纳米汽车在内的纳米/分子机器的合成与制作,并企图用于实现特定的任务。同宏观的汽车一样,未来纳米车的目的也是为了将纳米颗粒或分子送到某个固定的地方,最终成为“纳米生产”中的运输工具。

讲到这里,大家不要误以为,纳米汽车只是我们脑子里或者理论上概念而已。事实上,现在,多款真正意义上的纳米汽车已经在实验室内被成功研制,其中,美国莱斯大学的Tour教授于2005年“制造”的首辆纳米汽车(有人也称其为“分子汽车”,见图1(右))尤为知名。在这些“纳米达人”的掌控中,把玩的不仅仅是纳米科技,更是一种艺术。

一、Tour和他的“纳米汽车”

Tour是美国著名有机合成化学家,如图2所示,是莱斯大学纳米尺度科学与技术中心的知名教授。Tour教授的科学研究领域很广,包括分子电子学、化学自组装、高分子传感器、碳纳米管生长等。他的科研成果极为卓著,曾发表过300余篇论文,拥有30余项专利。其中,他的两项科研成果――纳米娃”/人形分子(NanoKids)和分子汽车使得他名声鹊起,轰动一时。

Tour教授近年来得到过各种各样的科研奖励,其中,两项大奖值得一提,那就是2005年的本田纳米汽车发明奖以及2007年美国Foresight研究院的费曼纳米试验技术奖。这两项大奖的获取,很大程度上要归结于他的杰作―纳米汽车,而Tour 本人也因此被誉为“纳米汽车之父”。

按照Tour最初的设想,他纳米汽车将由汽车底盘、轮子、座椅、车钥匙、车轮轴组成;以热或者太阳能为能源;整个车身允许承受微小的扭曲变形,以适应路面上的坎坷与颠簸;汽车底盘可考虑采用“工”字形的寡聚物分子;车轮采用碳60富勒烯球状分子或纳米颗粒;车轴采用炔基的线性有机分子;车座椅采用三角形、船形或者杯状分子,这些座椅的凹陷部位用来装载有效载荷。

Tour教授还设想,这种纳米汽车可以装载药物分子,因为体积小,所以能在器官和血管中自由通行。在它座椅的凹陷处裹挟着药物,当纳米送药车在体外磁场的作用下抵达患处,然后经过调节患处酸碱度或离子强度,纳米汽车座椅上装载的药物就被释放出来。当然,他还希望这种特殊的交通工具能够被用于分子构造领域,譬如,承载一个分子的“货物”,在纳米工厂之间运送原子和分子。

然而,直至2005年,Tour教授的美好愿望仍没能完全实现。此时他制造出的纳米汽车依然显得十分简陋,没有方向盘、发动机和座位,仅由一个亚苯基伸乙炔基的寡聚物“汽车底盘”、四个炔基“车轴”和四个球形的碳60富勒烯“车轮”组成,见图3。尽管如此,Tour 2005年制作的这款纳米汽车仍被认为是一项伟大的成果。他的纳米汽车论文成为当年美国化学会杂志论文中访问最多的文章,同时也成为《生命科学》列出的在所有科学领域中排名第二的最有影响论文。

Tour 2005年建造的汽车宽3纳米,相当于一根头发直径的3万分之一。它的车轴由一炔基线性分子片段构成,每个碳60富勒烯轮子都能独立地绕车轴转动,见图4,这使得这款车能够在凹凸不平的原子表面行进。

为了研究该纳米车的运动性能,该纳米汽车被放置在金片表面,先通过强电场将纳米车“束缚“在金片的表面,当温度上升到170以上时再去掉电场,这时纳米车就能像微型汽车一样运动。借助扫描电子显微镜,Tour发现,当环境温度在170摄氏度220摄氏度之间时,即在热的作用下,这种四轮的纳米汽车只能前后运动,而不能侧向运动,这说明汽车的运动是基于轮子(绕车轴)的转动而不是通常分子间的滑动,见图5。这一情形到和我们普通的汽车完全相同。

二、Tour纳米汽车的升级版

Tour教授2005年建造的纳米汽车可以在热的作用下前后运动。但有一个问题,汽车初始运动的方向没有确定性,对于平齐的相同的几辆纳米车,有的会向前运动,有的会向后运动,而这种运动离我们利用纳米汽车定向输送分子的目的不符。因此,Tour教授想到是否能像宏观汽车一样给纳米车装上马达。而此刻,寻找驱动纳米车作定向运动的马达一直是困扰科学家们的一个重大难题。

到现在为止,人们已经发展了各种各样的分子马达,但由荷兰格罗宁根大学Ben Feringa博士设计的单向马达具有最好的应用前景。Feringa博士的分子马达实际上是一个光辐照下构型可以改变的有机分子,具备以下几个特点:它可以实现重复转动;使用光作为动力源;可以实现单向运动;其功能的实现不需要复杂的转动;即使在金属表面也可以运动。

借鉴Feringa博士光分子马达的思想,Tour教授着手给他的纳米汽车底盘上“安装”这种马达。然而他快发现,富勒烯车轮的纳米车安装上这种分子马达后是不能工作的,主要原因在于“在外界光照下,富勒烯车轮对能量的吸收远超过分子马达,而导致马达不能正常工作”。为此,2007年,他对2005年款的纳米汽车进行了升级,选择碳硼烷作为车轮,同时,车轴被换成了炔烃,这些举措都是为了让分子马达能够充分地吸收光能。经过改装后,Tour惊奇地发现,在分子马达的作用下,新款的纳米汽车居然能够缓缓的做定向运动,见图6,尽管运动的速率非常慢。

2008年,Tour教授再接再厉,又设计了一个最新型的纳米汽车,见图72008年款的纳米汽车底盘更宽,底盘前后又各有两个小的分子基团,这将为汽车上搭载和固定小分子提供了可能。

最后需要补充一点,Tour教授制作上述纳米汽车的工艺和我们普通的汽车制造是完全不同的两个概念。纳米汽车的制造完全是在实验室内通过瓶瓶罐罐化学反应合成的。而且,汽车合成后,只有通过电子显微镜才能看得到。

三、Rapenne的“纳米手推车”

谈到纳米车,另外一个人及其作品也不得不提,那就是法国国家科学研究院(CNRS)的科学家G Rapenne教授和他的“纳米手推车”。“纳米手推车”的概念是Rapenne教授2002年提出的,它和工地上人工搬运沙石的双轮手推车构型极为相似,前方是一个由两个“轮”和一根轴”组成的车轮,后方是两个“把手”,把手和车轮之间由“车身”相连,见图8。“纳米手推车”的长和宽均为23纳米,高0.7纳米左右。

为了研究该手推车是否能够被推动,Rapenne教授首先用化学方法合成了手推车的车轮。该车轮由一个中轴将两个轮子连接在一起,每个轮子均为一个“三叶烯”,见图9。三叶烯轮子的直径为0.7纳米左右。接着,Rapenne教授将该车轮放在铜晶体的表面,并用扫描隧道显微镜的针尖拨动该车轮。最后他发现,该车轮居然能在铜原子的表面滚动。

 

四、微纳米F1赛车

离子束化学气相沉积(FIB-CVD技术最早是日本学者松井真二提出的。该技术需要将一基体材料置于芳烃的实验气氛环境中,并采用高能的聚焦镓离子束在基体表面进行化学气相诱导沉积。目前,利用该项技术,科学家们已经在半导体材料,甚至发丝表面制作了多个三维的纳米结构。FIB-CVD技术的思路如下:沉积时,先固定离子束,基体表面诱导形成一个基础立柱;然后离子束被移动一个不超过立柱直径的距离,静止不动直到在立柱顶端沉积出几十纳米厚度的阶梯;继续重复上述过程,就能使得沉积的材料层层叠加在前面沉积的结构上;最终在基体表面构造出复杂的三维纳米结构来。

10的微纳米F1赛车就是FIB-CVD技术的代表作。微纳米赛车的作者是美国德克萨斯大学电子工程系的两位研究生,Jang-Bae JeonCarlo Foresca。整个F1赛车的长度为15微米,车轮及车轴的直径为几微米,甚至几百纳米。

那么,上述的微纳米F1赛车又有什么实用价值呢?应当讲,除了展示FIB-CVD技术以外,它仅仅只是一个非常小的赛车模型,一个“摆设”而已。当然,我们也不排除有收藏家将其作为纳米艺术品高价收购的可能性。



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