В августе 2013 года мы сообщали о новом рекорде скорости вращения: тогда при помощи лазерных лучей физики закрутили мини-сферу со скоростью, в 500 раз превышающей обороты барабана среднестатистической стиральной машины. Теперь же и этот рекорд побит.
Исследователи из Национального института стандартов и технологий обнаружили, что золотые наностержни, погружённые в воду и подвергнутые воздействию высокочастотных ультразвуковых волн, могут совершать 150 тысяч оборотов в минуту, что на порядок больше, чем в прошлый раз.
Данный эксперимент прокладывает путь к созданию уникальных наномоторов. Они могли бы пригодиться в медицине и в любых других опытах, требующих высокоскоростного механического воздействия — например, смешивания материалов.
В рамках своего опыта физики взяли стержень длиной всего в несколько нанометров. Они разрабатывали способ, который мог бы довести этот стержень до рекордной скорости вращения, при этом длиться вращение должно как можно дольше, а все движения должны быть строго контролируемы. Такой наномотор может питать целую орду нанороботов и образовывать сложные наноструктурные материалы, например, для доставки лекарств непосредственно внутрь живой клетки.
В последнее время физики используют самые разные методы ускорения вращения наномоторов. В ход идут лазеры, магнитные и электрические поля. На этот раз учёные решили обратиться к ультразвуку и жидкости, поскольку конечной целью было создание устройства, пригодного для использования в биологических системах и организмах.
Предыдущие исследования показали, что применение комбинации ультразвука и магнитных полей позволяет управлять не только вращением, но и поступательными движениями наностержней. Однако до этого эксперимента никто не знал, как быстро могут вращаться моторчики под воздействием этих двух факторов.
Казалось бы, объекты, погружённые в жидкость, должны вращаться медленнее обычного, однако, несмотря на водную среду, золотые наностержни всё равно побили рекорд. Исследователи использовали золотые стержни, которые имели 2 микрометра в длину и 300 нанометров в ширину.
Стержни были погружены в воду, смешаны с наночастицами полистирола и помещены между двумя поверхностями (стеклянной и кремниевой) строго над устройством, которое было похоже на динамик. Оно вибрировало на частоте ультразвука 3 мегагерца и заставляло частицы вращаться. Стержнями в воде создавались вихри, затягивающие полистирол к вращающимся нанопалочкам. Измеряя скорость движения частиц полистирола и их расстояние до наностержней, учёные смогли подсчитать скорость вращения последних.
Как отмечают физики, беспрецедентная скорость вращения наномоторов позволяет использовать их не только в медицине, но и для смешивания материалов в промышленности. Однако, для того чтобы получить стабильную производительность, необходимо контролировать размеры стержней с высокой точностью. По словам учёных, даже небольшие неровности на поверхности могут привести к значительным отклонениям в скорости вращения.
Статья, опубликованная в журнале ACS Nano, описывает в подробностях проведённый эксперимент. Теперь исследователи планируют сосредоточиться на понимании причин вращения моторов, влияния вихрей на стержни и их взаимодействия друг с другом.
Также по теме:
Микроскопическую сферу заставили вращаться с рекордной скоростью
Мощнейший в мире наномотор доставит лекарства прямо к цели
Учёные впервые определили скорость вращения чёрной дыры
Американцы установили новый рекорд скорости
Изобретён биологический транзистор, который поможет проводить вычисления прямо в клетках
