انتقال بار روی مونوریل نانولوله‌ای

محققان در اروپا از نانولوله‌های کربنی، مونوریلی ساخته‌اند که می‌تواند یک تکه از فلز را حدود ۸۰ نانومتر جابه¬جا کند. این محموله فلزی روی یک آستین نانولوله کربنی، به طول پنج نانومتر قرار می‌گیرد. این آستین نانولوله‌ای خود روی ریلی از جنس نانولوله کربنی خیلی طولانی‌تر ـ که در عرض یک شیار در یک تراشه سیلیکونی کشیده شده‌است ـ قرار دارد. به عقیده این گروه، این آستین به‌طور حیرت‌آوری به‌وسیله نوسانات شبکه‌ای به نام فونون‌ها رانده می‌شود.

محققان در اروپا از نانولوله‌های کربنی، مونوریلی ساخته‌اند که می‌تواند یک تکه از
فلز را حدود ۸۰ نانومتر جابه¬جا کند. این محموله فلزی روی یک آستین نانولوله کربنی،
به طول پنج نانومتر قرار می‌گیرد. این آستین نانولوله‌ای خود روی ریلی از جنس
نانولوله کربنی خیلی طولانی‌تر ـ که در عرض یک شیار در یک تراشه سیلیکونی کشیده شده‌است
ـ قرار دارد. به عقیده این گروه، این آستین به‌طور حیرت‌آوری به‌وسیله نوسانات
شبکه‌ای به نام فونون‌ها رانده می‌شود.

آندریان باچتولد و همکارانش در دانشگاه آوتونومِس بارسلونا با همکاری محققان
دانشگاه وینا و مؤسسه فناوری فدرالی سوئیس در لاوسان، این افرازه را با استفاده از
نانولوله کربنی چند‌دیواره ـ که از چندین نانولوله هم‌مرکز تشکیل شده‌است ـ
ساخته‌اند.
آنها ابتدا با الکترودهای فلزی، یک نانولوله چند‌دیواره به طول هزار و ۵۰۰ نانومتر
را همانند یک پل در عرض این شیار قرار داده، متصل کردند. آنها سپس برای حذف چندین
لایه خارجی از قسمت عمده این نانولوله، از یک روش تخریب– الکتریکی استفاده کردند و
در نهایت یک آستین کوتاه(در قسمتی که لایه‌های خارجی آن حذف نشده بودند) باقی ماند
که می‌توانست آزادانه بچرخد و در طول ریل داخلی به عقب و جلو حرکت کند.
 

تصاویر میکروسکوپ الکترونی پیمایشگر از این سیستم نانولوله‌ای. تصویر بالا آستین و
محموله را در وسط شیار نشان می‌دهد و تصویر پایین آستین و محموله را در کناره سمت
راست شیار نشان می‌دهد. در هر دو تصویر ریل نانولوله کربنی به وضوح دیده می‌شود.

این گروه تحقیقاتی با عبور دادن یک جریان
الکتریکی در سرتاسر این ریل(که باعث گرم‌‌ شدن آن می‌شد)، این موتور را به راه
‌انداختند. به‌دلیل اینکه الکترودها به‌عنوان چاه‌های حرارتی عمل می‌کنند،
قسمتی از ریل ـ که در وسط شیار قرار دارد ـ بیشتر از دو انتها گرم می‌شود. اگر
این آستین و محموله‌اش ـ که قطعه ریزی از طلاست ـ در وسط شیار قرار داده شوند،
آنها با سرعت بیش از یک میکرومتر بر ثانیه به‌سمت یک طرف شیار حرکت می‌کنند.

باچتولد گفت که این گروه اصولاً امیدوار بود که بتواند برای ایجاد برهم‌کنش‌های
اتمی بین ریل و آستین، یک ولتاژ بین الکترودها اعمال کند تا این برهم‌کنش‌ها
سبب شوند که این آستین در روشی حلزونی یا مارپیچی(helical) در یک جهت حرکت و با
معکوس‌‌ شدن ولتاژ در جهت دیگر حرکت کند. طبق گفته باچتولد، این حرکت مورد
انتظار بود، زیرا اتم‌ها روی نانولوله‌های کربنی خارجی و داخلی، در پیکربندی
حلزونی نسبتاً متفاوتی مرتب شده‌اند. در عوض آنها متوجه ‌شدند که حرکت این
آستین طوری است که همیشه از مرکز شیار دور می‌شود. اینکه ذره محموله طلا با
ذوب‌ ‌شدن جزئی تغییر شکل داد، اولین سرنخی بود که نشان می‌داد گرما دلیل این
حرکت است. این محققان با انجام شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای از این سیستم، نقش
گرم‌کردن را تأیید کردند.
گرما در سرتاسر نانولوله‌های کربنی به شکل نوسانات شبکه کوانتیزه‌شده(‌معروف به
فونون‌ها) انتقال می‌یابد. این فونون‌ها خیلی شبیه ذرات رفتار می‌کنند. تعداد
بسیار زیادی از فونون‌ها در مرکز گرم ریل ایجاد می‌شوند و به‌سمت هر دو الکترود
حرکت می‌کنند، که با برخورد به این آستین بیرونی، آن را با خود می‌کشند.
رامین گلستانیان از دانشگاه شفیلد، این کار را به‌عنوان یک نتیجه جالب
آزمایشگاهی توصیف می‌کند، به عقیده او ـ که فیزیک افزاره‌های نانومکانیکی و
نانوذرات متحرک را مطالعه می‌کندـ می‌گوید که برای فهم سازوکار حرکت و نقش
فونون‌ها در آن، مطالعه خیلی بیشتری لازم است.
باچتولد و همکارانش اکنون به دنبال ساخت موتورهای عملی‌تر مبتنی بر این اثر،
هستند. آنها مشغول کار روی افزاره‌های برگشت‌پذیری هستند که در آنها فقط یک
انتهای ریل گرم می‌شود، و این باید سبب حرکت آستین از انتهای گرم به انتهای سرد
شود. در این حالت، جهت حرکت می‌تواند به‌سادگی و با جابه‌جا کردن انتهای گرم و
سرد، معکوس شود.
نتایج این تحقیق در مجله Science منتشر شده‌است.