第六讲纳米机械学.ppt

两种微电机的结构 第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日 （3）纳米尺度定位马达 除了本身尺寸很小的马达已问世之外，在纳米级尺度上移动和定位的“纳米”马达已研制成功，并已投入使用。已有两种构造可实现这个要求：一是基于线性马达的Yoshida系统，有1nm的定位精度和200nm/s的速度；另外一种是基于压电陶瓷管的蠕动爬行装置，以步进方式很容易达到1nm的定位。例如，在扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）上用于精确定位的由压电陶瓷材料制成的纳米级逼近装置。它们能以简单的方式将1mV—1000V的电压信号转换成几分之一埃到几微米的位移。 第三十页，共五十六页，2022年，8月28日 最近美国Burleigh仪器公司推出一种压电陶瓷步进马达，其工作原理示如下图所示 压电陶瓷步进电机工作原理 第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日 研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出了一种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。  分子马达 分子马达，又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。就是说，分子马达本质上是一类ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”-------------如：质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。 第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日 分子马达 分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。 第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--“纳米直升机”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。 第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日 （4）微型机器 微型汽车和大米粒 第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日 微型机器 小型机器人，它用吸盘式的脚垂直在墙壁上移动 第三十六页，共五十六页，2022年，8月28日 纳米火车 美国华盛顿大学正在制造纳米火车。用神经细胞中的微管片段为车厢，微管直径只有人头发丝的1%；以牛脑中的驱动蛋白为牵引机车，装配后可在特氟隆轨道上奔驰。 该项研究填补了纳米技术中没有动力的空白，向实现纳米技术自组装工厂这一目标迈出了有意义的一步。 第三十七页，共五十六页，2022年，8月28日 3 纳米机械加工方法 德国弗里茨·哈贝尔研究所的科学家研究出使用超短电脉冲进行电解的新技术，并成功地在纳米尺度上切割金属材料，加工微型机械。据介绍，科学家使用持续时间以纳秒计的超短电脉冲，实现“微型电镀”过程，对金属进行“雕刻”，加工精度可达几百纳米。 他们使用直径10纳米的铂线作为一个电极，金制的金属片为另一个电极，将它们浸泡在硫酸铜和高氯酸混和溶液里。来回移动铂线，就可以将铂线用作“刀具”，像铣床一样对金属片的铜进行“雕刻”加工。由于电流脉冲只持续极短的时间，铜的沉积与溶解都只发生在非常靠近电极表面的地方，加工精度较高。 第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日 用活细菌建造纳米机械 美国威斯康星－麦迪逊大学的科学家罗伯特·哈默斯说：“自然界已产生了这些奇异的建筑构块，而我们开发出的方法，仅仅是很巧妙地‘抓住’细菌的这种能力。”哈默斯研究小组已经能够采用电极来调控单个细菌细胞。他们的研究成果发表在《纳米通信》刊物上。 第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日 第四十页，共五十六页，2022年，8月28日 第一页，共五十六页，2022年，8月28日 1 引言 纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 第二页，共五十六页，2022年，8月28日 纳米机械技术主要研究微型机械、纳米加工、超精度测量和材料处理学等技术应用。 微型机械是80年代末出现的一项新技术。它虽问世不久，但现已