Нано-электромеханические устройства

Сентябрь 14, 2022

Главная
Алгебра
Нано-электромеханические устройства

Содержание

2. Наноро́боты Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые с молекулой, обладающие функциями
3. Наноавтомобиль Наноавтомобиль
4. Компоненты нано-машин – колесо Фуллерен С60 Усеченный икосаэдр и мяч Для существования такого замкнутого многогранника, построенного
5. Компоненты нано-машин – поворот оси (1) Поворотная изомеризация под действием температуры
6. Молекула-наносистема Молекула-наносистема состоит из трехсот атомов. фуллерены 4 нм ~толщина ДНК
7. Метод приведения в движение наномашины Нагрев ее до 200° С, что вызывает вращение фуллеренов на химических
8. 20000 наномашин можно поместить на торце человеческого волоса.
9. Проблема – управление движением отдельных молекул Однако от нагрева едут все машины-молекулы, что делает невозможным управление
10. Компоненты нано-машин – поворот оси (2) Транс-цис изомеризация азобензолов под действием света
12. Возможные применения Эти машины помогут освоить базовые правила работы в наномире: транспортировки нанообъектов, взаимодействие между ними
13. Сравнение характеристик различных НЭМС
14. «Лазерный пинцет» – инструмент для работы с нанообъектами Опти́ческий пинце́т (англ. Optical tweezers), иногда «лазерный пинцет»
15. На микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и преломленного света. Результирующая сила толкает
16. Физические принципы Объекты, представляемые в виде маленьких диэлектрических сфер взаимодействуют с электрическим полем, созданным световой волной,
17. Волновая оптика Объяснение на основе волновой оптики. Когда шар смещается от центра пучка, как на рисунке
18. Чтобы исследуемый объект был неподвижен, необходимо скомпенсировать силу вызванную давлением света. Это можно сделать за счёт
19. Приближение электрического диполя В случаях, когда диаметр пойманной в ловушку частицы значительно меньше, чем длина волны
20. Предполагая, что мощность лазера не зависит от времени, сила запишется в виде Квадрат величины электрического поля
21. Предельное пространственное разрешение 0.1 нм Диапазон измерения сил 0.01 – 200 пН Количество одновременно работающих ловушек
22. Схема использования оптического пинцета в изучении РНК-полимеразы Молекула РНК двигается, делая шаги в 3,4 А. Один
23. Оптические пинцеты в сортировке клеток Оптически управляемая система сортировки клеток Клетку пропускают через двух- или трёхмерные
25. Скачать презентацию

Слайд 2

Наноро́боты
Наноро́боты, или нанобо́ты — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые

с молекулой, обладающие функциями
движения,
обработки и передачи информации,
исполнения программ.
Нанороботы, способные к созданию своих копий, т.е. самовоспроизводству, называются репликаторами.

Наношестерня

Слайд 3

Наноавтомобиль
Наноавтомобиль

Слайд 4

Компоненты нано-машин – колесо
Фуллерен С60
Усеченный икосаэдр и мяч
Для существования

такого замкнутого многогранника, построенного из n вершин, образующих только пяти- и шестиугольные грани, согласно теореме Эйлера для многогранников, необходимым условием является наличие ровно 12 пятиугольных граней и n / 2 − 10 шестиугольных граней.

Слайд 5

Компоненты нано-машин – поворот оси (1)
Поворотная изомеризация под действием температуры

Слайд 6

Молекула-наносистема

Молекула-наносистема состоит из трехсот атомов.
фуллерены
4 нм
~толщина ДНК

Слайд 7

Метод приведения в движение наномашины
Нагрев ее до 200° С, что вызывает

вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с «рамой машины». От вращения четырех молекул наносистема приходит в движение и может катиться по плоской золотой поверхности.

Ее передвижения связаны с вращением фуллеренов-колес.
Для наблюдения используют сканирующую туннельную микроскопию (СТМ). Каждую минуту получали СТМ снимки машины, доказывающие, что колеса действительно вращаются

Слайд 8

20000 наномашин можно поместить на торце человеческого волоса.

Слайд 9

Проблема – управление движением отдельных молекул
Однако от нагрева едут все машины-молекулы,

что делает невозможным управление отдельными «автомобилями». А это будет необходимо при организации молекулярных конвейеров и транспортных линий, осуществляющих перемещение промежуточных продуктов в нанофабриках будущего.
На каждую машину решено поставить индивидуальный «мотор», питающийся световой энергией.

Слайд 10

Компоненты нано-машин – поворот оси (2)
Транс-цис изомеризация азобензолов под действием света

Слайд 11

Слайд 12

Возможные применения
Эти машины помогут освоить базовые правила работы в наномире: транспортировки

нанообъектов, взаимодействие между ними и сборка микроблоков из отдельных молекул
Машина сможет перевозить молекулярные грузы в различных направлениях, что можно использовать в наноконвеерах, нанофабриках и других сложных наносистемах.
Также она может служить платформой для различных мобильных наносистем: нанороботов, наноманипуляторов.
В качестве энергетической подпитки машин используются направленные пучки фотонов вместо нагревания среды, в которой находятся машины. Так появится возможность ими управлять и координировать их перемещения с высокой степенью точности.

Слайд 13

Сравнение характеристик различных НЭМС

Слайд 14

«Лазерный пинцет» – инструмент для работы с нанообъектами
Опти́ческий пинце́т (англ. Optical

tweezers), иногда «лазерный пинцет» или «оптическая ловушка» — научный прибор для манипуляции микроскопическими объектами с помощью лазерного света.
Он позволяет прикладывать к диэлектрическим объектам силы от фемтоньютонов до наноньютонов и измерять расстояния от нескольких нанометров до микронов.
Использование в биофизике для изучения структуры и принципа работы белков.

Слайд 15

На микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и

преломленного света.
Результирующая сила толкает сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Такая сила называется градиентной силой.

Когда шар смещается от центра пучка, наибольшее изменение импульса лучей с большей интенсивностью вызывает появление силы, направленной к центру ловушки.
Когда шар расположен в центре пучка, сила указывает в сторону сужения.

На микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и преломленного света.
Результирующая сила толкает сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Такая сила называется градиентной силой.

Слайд 16

Физические принципы
Объекты, представляемые в виде маленьких диэлектрических сфер взаимодействуют с электрическим

полем, созданным световой волной, за счёт индуцированного на сфере дипольного момента.
В результате взаимодействия этого диполя с электрическим полем электромагнитной волны, объект перемещается вдоль градиента электрического поля.
Кроме градиентной силы, на объект также действует сила, вызванная давлением (отражением) света от его поверхности. Эта сила толкает сферу по направлению пучка света.
Однако, если луч света сильно сфокусирован, величина градиента интенсивности может быть больше величины давления света.

Слайд 17

Волновая оптика
Объяснение на основе волновой оптики. Когда шар смещается от центра

пучка, как на рисунке (a), наибольшее изменение импульса лучей с большей интенсивностью вызывает появление силы, направленной к центру ловушки. Когда шар расположен в центре пучка, как показано на рисунке (b), сила указывает в сторону сужения.
При анализе с использованием волновой оптики, рассмотрение процессов преломления и отражения света от микросферы достаточно, чтобы проанализировать втягивание в оптическую ловушку (см. рисунок справа).
Самый простой расчёт действующих сил в пределах подхода волновой оптики основывается на геометрической оптике. Рассмотрение луча указывает на изменение импульса света при отражении и преломлении. Таким образом, это изменение импульса (фотона как частицы), согласно второму закону Ньютона, будет приводить к возникновению силы.
Используя простую диаграмму лучей и вектора силы, можно показать, что на микросферу действуют две разных оптических силы благодаря инерции падающего и преломлённого света. Как это видно из диаграммы, результирующая сила толкает сферу в направлении области наивысшей интенсивности луча. Такая сила называется градиентной силой.

Слайд 18

Чтобы исследуемый объект был неподвижен, необходимо скомпенсировать силу вызванную давлением света.

Это можно сделать за счёт двух встречных пучков света, которые толкают сферу в противоположных направлениях, или с помощью сильно сфокусированного гауссового пучка (с высокой числовой апертурой, NA>1,0), чтобы компенсировать давление света высокой градиентной силой.

Слайд 19

Приближение электрического диполя
В случаях, когда диаметр пойманной в ловушку частицы значительно

меньше, чем длина волны света, условия удовлетворяют условию рассеивания Рэлея, и частицу можно рассмотреть как точечный диполь в неоднородном электромагнитном поле.
Сила, действующая на заряжённую частицу в электромагнитной области, известна как сила Лоренца

Слайд 20

Предполагая, что мощность лазера не зависит от времени, сила запишется в

виде
Квадрат величины электрического поля равен интенсивности луча как функция координат.
Сила, действующая на диэлектрическую частицу, при приближении точечного диполя, является пропорциональной градиенту интенсивности пучка.
Описанная сила приводит к притяжению частицы в область с самой высокой интенсивностью.
В действительности, сила, возникающая при рассеянии света зависит линейно от
интенсивности луча,
поперечного сечения частицы,
показателя преломления среды, в которой находится ловушка (например, вода),
Эта сила работает против градиентной силы в осевом направлении ловушки
равновесное положение смещается немного вниз от положения максимума интенсивности.

Слайд 21

Предельное пространственное
разрешение 0.1 нм
Диапазон измерения сил 0.01 – 200

пН
Количество одновременно
работающих ловушек 1 - 100
Размер перемещаемых частиц 20 – 10000 нм
Диапазон перемещений 100 мкм

Характеристики «лазерного пинцета»

Градиентная сила действующая на частицу (латексная сфера диаметром 0,51микрона) в воде получается из закона Стокса
F = 6πr ηv
и составляет 730 фН.
В воздухе максимальная скорость для капель воды диаметром 5 микрон при мощности лазера 50 мВт составила 0,25 см/c

Слайд 22

Схема использования оптического пинцета в изучении РНК-полимеразы
Молекула РНК двигается, делая шаги

в 3,4 А.
Один шаг соответствует длине одной пары нуклеиновых оснований

(Abbondanzieri et al., .2004. Nature. 438(7067):460-465)

Слайд 23

Оптические пинцеты в сортировке клеток
Оптически управляемая система сортировки клеток
Клетку пропускают

через двух- или трёхмерные оптические решётки.
Когда поток клеток проходит через оптические решётки, силы трения частиц непосредственно конкурируют с оптической градиентной силой от соседнего узла оптической решётки.
Изменяя расположение узлов, возможно создать оптическую дорожку, по который будут двигаться клетки.
Такая дорожка будет эффективной только для клеток с определённым коэффициентом преломления, которые и будут эффективно отклоняться.

Нано-электромеханические устройства

Содержание

Наноро́ботыНаноро́боты, или нанобо́ты — роботы, созданные из наноматериалов и размером сопоставимые

НаноавтомобильНаноавтомобиль

Компоненты нано-машин – колесо Фуллерен С60 Усеченный икосаэдр и мячДля существования

Компоненты нано-машин – поворот оси (1)Поворотная изомеризация под действием температуры

Молекула-наносистема Молекула-наносистема состоит из трехсот атомов. фуллерены4 нм~толщина ДНК

Метод приведения в движение наномашиныНагрев ее до 200° С, что вызывает

20000 наномашин можно поместить на торце человеческого волоса.

Проблема – управление движением отдельных молекулОднако от нагрева едут все машины-молекулы,

Компоненты нано-машин – поворот оси (2)Транс-цис изомеризация азобензолов под действием света

Возможные примененияЭти машины помогут освоить базовые правила работы в наномире: транспортировки