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導(dǎo)讀： 作為最簡(jiǎn)單和最小的電機(jī)之一，包含一個(gè)旋轉(zhuǎn)內(nèi)管和一個(gè)固定外管的雙壁碳納米管（double-walled carbon nanotube，DWCNT）將在未來(lái)納米器件中發(fā)揮重要作用。在最新的研究中，研究人員研究在恒定的高溫條件下，DWCNT內(nèi)管的旋轉(zhuǎn)行為。
　　中國(guó)西北農(nóng)林科技大學(xué)和澳大利亞國(guó)立大學(xué)的研究人員K Cai等在Nanotechnology雜志上，詳細(xì)介紹了有關(guān)DWCNT旋轉(zhuǎn)電機(jī)的研究進(jìn)展。
　 科學(xué)家解釋說(shuō)DWCNT有潛力成為一種高效的電機(jī)，這主要是由于它結(jié)合了兩種重要特性：強(qiáng)共價(jià)鍵導(dǎo)致的單根管內(nèi)的高強(qiáng)度，以及范德瓦爾斯力導(dǎo)致的兩根相鄰管的弱相互作用力。
　　正如之前的研究所述，內(nèi)管可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)或平移運(yùn)動(dòng)（向前或向后）移動(dòng)至外管中。這兩種類型的運(yùn)動(dòng)通常結(jié)合在一起，從而形成管的螺旋形運(yùn)動(dòng)。內(nèi)管的這一特殊運(yùn)動(dòng)軌跡由其與外管的原子相互作用力所決定。

圖片說(shuō)明：模擬實(shí)驗(yàn)中，在第3000皮秒和第3001皮秒的DWCNT內(nèi)管旋轉(zhuǎn)示意圖。

  之前的研究已展示了DWCNT的許多納米級(jí)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，比如幾乎可以忽略不計(jì)的摩擦力和與溫度梯度成正比的驅(qū)動(dòng)力。在最新的研究中，研究人員通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)無(wú)梯度變化的恒溫條件可使DWCNT轉(zhuǎn)動(dòng)。大約在室溫下（300K），內(nèi)管失去其幾何對(duì)稱性，并開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。研究人員發(fā)現(xiàn)了三種影響內(nèi)管轉(zhuǎn)動(dòng)的因素：環(huán)境溫度、外觀固定部分的長(zhǎng)度和管間間距。
　　研究人員通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，相比于較低溫度，在300K時(shí)，隨著內(nèi)管的動(dòng)能越來(lái)越高，內(nèi)管的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率增加。因?yàn)閮?nèi)管產(chǎn)生了更高的扭矩，所以當(dāng)外管的全長(zhǎng)不變時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)頻率同樣增加。另外，當(dāng)管間間距接近于石墨烯薄片之間的臨界距離，即0.335nm時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)頻率也會(huì)增加。但管間間距小于此距離，管間摩擦力增加，而當(dāng)管間間距變大時(shí)，各管中的相互作用力變?nèi)酰瑯愚D(zhuǎn)動(dòng)也會(huì)減弱。
　　為了無(wú)梯度溫度場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的DWCNT轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)在下一代納米機(jī)電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的研究。
　　Cai 說(shuō)：“與其他任何納米電機(jī)相比，比如電動(dòng)電機(jī)和流動(dòng)氣體驅(qū)動(dòng)電機(jī)，熱DWCNT電機(jī)更簡(jiǎn)單、更小，操作起來(lái)也更方便。尤其是，其內(nèi)管的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍廣，可用于電磁納米器件中的信息傳遞，諸如轉(zhuǎn)換器和存儲(chǔ)器等。”
　　在未來(lái)工作中，研究人員將研究逐步改善此電機(jī)的性能。
　　Cai說(shuō)：“我們需要設(shè)計(jì)一種穩(wěn)健的DWCNT電機(jī)。比如，應(yīng)當(dāng)有更穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)、可精確調(diào)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，并可在局域電磁場(chǎng)中進(jìn)行測(cè)量。”

圖片說(shuō)明：五種模擬的雙壁碳納米管，其中藍(lán)色和橙色分別表示內(nèi)管和外管參數(shù)。