Физики-экспериментаторы из Майнцского университета создали нанодвигатель, способный преобразовывать тепловую энергию в механическую. При этом размер двигателя чуть больше атома, а эффективность сравнима с эффективностью двигателя внутреннего сгорания в автомобиле.
Более того, двигатель, спаренный с одиночным атомом и заключённый в конус электромагнитного излучения и работает по принципу классических ДВС – четырёхтактный цикл, во время которого происходят расширение и охлаждение, сжатие и нагревание, как объясняет руководитель эксперимента Иоганн Росснагель [Johannes Roßnagel].
Росснагель был тем, кто впервые предложил теоретическую основу для подобного двигателя в 2014 году. Сначала отдельный атом попадает в ловушку в виде конуса электромагнитного излучения, из которой он не может вырваться. Причём подойдёт практически любой атом – в конкретном эксперименте был использован кальций-40.
Затем два лазерных луча направляются на ЭМ конус. Лазер, светящий с острого конца, разогревает атом, а другой – охлаждает в процессе доплеровского охлаждения. В результате атом начинает передвигаться внутри конуса – в нагретом состоянии к широкому концу, в охлаждённом – к узкому. Процесс становится более выраженным, если настроить лазеры так, чтобы периоды охлаждения и нагревания совпадали с естественными осцилляциями атома.
Часть системы лазеров лабораторной установки
В результате осцилляции атома создают механическую энергию, которую теоретически можно собрать – например, размещённый с острого конца конуса ион будет собирать эту энергию, как маховик в двигателе автомобиля.
Физики отметили, что тот факт, что атом следует по сути тем же принципам, что и четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, является очень странным. Подсчитав эффективность «двигателя» учёные получили 1,5 кВт на килограмм – цифру, сравнимую с ДВС автомобиля.
Росснагель в 2014 году также изложил соображения по поводу увеличения энергоотдачи нанодвигателя (которые пока не проверялись в эксперименте). Если во время движений атома заставить электромагнитный конус слегка расширяться и сужаться определённым образом, атом войдёт в квантовое состояние, известное под названием «сжатого», что в результате приведёт к повышению эффективности двигателя.
Правда, на наноробота такой двигатель не поставишь – если сам он имеет размеры чуть больше атомных, то установка, передающая ему энергию, занимает целую комнату. Но учёные и не ставили себе такой задачи – целью эксперимента являлось изучение возможностей тепловых двигателей и проверка теоретических выкладок. Возможность практического применения подобного двигателя пока остаётся под вопросом.
Специалистам по теоретической физике дублинского Тринити-колледжа при содействии учёных из других стран удалось создать самый миниатюрный двигатель из когда-либо представленных: он примерно в 10 миллиардов раз меньше силового агрегата автомобиля. Ещё более необычным стало назначение разработки: с её помощью исследователи предложили отводить тепло от электронных компонентов.
Работа, представленная профессором Джоном Гулдом, возглавляющим команду исследователей QuSys, посвящена двигателю из единственного иона кальция, находящегося в ловушке электрических полей. В основе принципа его работы лежит использование углового момента собственного спина, который используется для преобразования тепла, абсорбированного от лазерных лучей, в колебания. Эти вибрации работают как маховик, аккумулирующий полезную энергию в дискретных частицах — квантах.
О постройке микроскопических автомобилей с такими двигателями речи пока не идёт, но изучение его «маховика» позволило учёным впервые измерить мощность «силовой установки» и точно оценить механизм выделения энергии. В будущем разработка может быть использована для создании новых технологий отведения избыточного тепла и увеличения энергоэффективности различных устройств. По словам учёных, управление теплом на наноуровне — одна из наиболее актуальных проблем для организации быстрых и эффективных вычислительных решений.
Видео:ДВС 0,0002 ЛитраСкачать
Создан самый маленький двигатель в истории
Учёные создали двигатель, состоящий всего из 16 атомов. Рекордно маленькая «игрушка» позволит изучить загадочные явления на границе классического и квантового мира.
Достижение описано в научной статье , опубликованной в журнале PNAS.
Меньше, чем когда либо прежде
Устройство, состоящее из 16 атомов, занимается тем же, чем и любой уважающий себя двигатель. Оно приводит свою подвижную часть (ротор) в упорядоченное движение благодаря потоку энергии из внешней среды.
Читайте также: Моторы лифан в рыбинске
Самое приблизительное представление о новом двигателе можно получить, закрутив вокруг своей оси карандаш, лежащий на поверхности стола. Конец карандаша при этом будет описывать окружность, как стрелка часов или спица колеса. Карандаш здесь играет роль ротора, а стол — статора, то есть неподвижной части двигателя.
В новом устройстве ротор («карандаш») — это четырёхатомная молекула ацетилена (C2H2). Она имеет продолговатую форму и нвнешне чем-то напоминает гантель. Статор («стол») — это подложка из шести атомов палладия и шести же атомов галлия (PdGa). Молекула ацетилена буквально лежит на ней и вращается вокруг своей оси.
Правда, в отличие от карандаша на столе, молекула ацетилена на палладий-галлиевой подложке не может повернуться на произвольный угол. Есть только шесть разных позиций, которые она может занять в своём вращении.
Между прочим, вся эта удивительная конструкция имеет размер менее одного нанометра.
«Это приближает нас к предельному размеру молекулярных двигателей», — говорит соавтор статьи Оливер Грёнинг ( Oliver Grning ) из Швейцарских федеральных лабораторий наук о материалах и технологий.
Почти настоящий двигатель
Новый нанодвигатель довольно сложно раскрутить пальцами, но он всё же способен черпать энергию из двух источников.
Во-первых, это тепловая энергия среды, в которой находится молекула. Например, при комнатной температуре ротор вращается со скоростью несколько миллионов оборотов в секунду.
Во-вторых, это энергия электрического поля. С помощью высокоточного оборудования можно регулировать величину поля настолько ювелирно, что получится повернуть ротор буквально на долю оборота.
Отметим, что, когда ротор получает не слишком много энергии, он почти всегда (99% времени) вращается в одну сторону.
Причиной тому особая форма статора. Она подобрана так, чтобы для молекулы ацетилена было энергетически выгодно повернуться в определённую сторону, а не в противоположную. Это можно сравнить с храповым механизмом , позволяющим колесу вращаться только в одном направлении.
По словам Грёнинга, эта устойчивость резко отличает новое устройство от других молекулярных двигателей . Она сближает его с макроскопическими системами, такими, например, как двигатель автомобиля. Последний ведь тоже обеспечивает вращение колёс в строго заданную сторону, а не куда попало.
Подобный двигатель мог бы быть частью наноробота, выполняющего полезную работу . Кроме того, такие устройства могут быть моделями природных молекулярных двигателей, таких как белки миозины , играющие важную роль в работе мышц.
Правда, когда двигатель получает слишком много энергии (например, при комнатной температуре), сопротивление «храповика» легко преодолевается, и ротор вращается в случайных направлениях. Так что на практике подобные машины смогли бы работать только в весьма экзотических условиях, недостижимых вне стен лаборатории.
Однако есть ещё одна область, где подобные наномашины были бы полезны. Это изучение физических законов на границе между классическим и квантовым миром ( Вести.Ru подробно рассказывали об этой захватывающей области исследований).
16 атомов — это уже слишком мало, чтобы считать объект бесспорно классическим, но всё ещё многовато, чтобы он был безусловно квантовым. И на этой слабо исследованной границе между мирами авторы уже обнаружили неожиданный эффект.
С точки зрения классической физики, существует минимальная порция энергии, которую нужно сообщить ротору, чтобы он повернулся. В случае данного двигателя это значит, что при температуре ниже -256 градусов Цельсия и напряжении электрического поля меньше 30 милливольт молекула ацетилена не будет вращаться ни в какую сторону.
С другой стороны, законы квантовой физики предусматривают так называемый туннельный эффект . Он должен приводить к тому, что ротор иногда всё-таки будет поворачиваться. При этом, как ни парадоксально, на это не будет тратиться никакой энергии. Поэтому энергетический «храповик», вынуждающий молекулу вращаться только в одном направлении, не будет работать. Вращение, вызванное туннельным эффектом, происходит то в одном, то в другом направлении. Каждый раз направление «выбирается» случайно, и в среднем ни одно не преобладает над другим.
То, что обнаружили учёные, не укладывается ни в одну, ни в другую модель. С одной стороны, они зафиксировали вращение ротора при энергиях ниже «классического предела». С другой стороны, молекула почти всегда поворачивалась в одну и ту же сторону.
Читайте также: Альянс мотор в екатеринбурге
Похоже, что при таком вращении энергетический «храповик» продолжал работать. Это означает, что ротор тратил энергию на своё вращение, хотя это и противоречит классической теории туннельного эффекта.
Теперь исследователям предстоит разобраться, почему же ротор их двигателя ведёт себя таким странным образом — и не классическим, и не квантовым. Возможно, это станет первым шагом к более глубокому пониманию законов, управляющих материей.
Видео:Самые Маленькие Двигатели В Мире, От Которых Ты Офигеешь.Скачать
Самый маленький мотор в мире работает, но с парочкой странностей
Швейцарские ученые разработали самый миниатюрный в мире мотор. Он состоит всего из 16 атомов и стабильно вращается в одном направлении. Главная его особенность в том, что он работает как раз на границе классической физики и квантового туннелирования — и демонстрирует странности, которые еще предстоит объяснить.
Самый маленький в мире мотор создан физиками из Исследовательского института Empa и Федеральной политехнической школы Лозанны. Его размер составляет менее одного нанометра — в 100 000 раз меньше диаметра человеческого волоса, а изготовлен он из 16 атомов, рассказывает Phys.org.
В принципе, молекулярная машина действует так же, как и обычный моторы в макромире: преобразует энергию в направленное движение. Он также состоит из статора и ротора, то есть неподвижного и подвижного элементов. В данном случае статор состоит из шести атомов палладия и шести атомов галлия. Ротор — это четыре атома молекулы ацетилена, которые вращаются на поверхности статора.
Молекулярный мотор может питаться либо тепловой, либо электрической энергией. При комнатной температуре, к примеру, он вращается взад и вперед случайным образом. Но если подать электричество (через сканирующий микроскоп), ротор будет крутиться в одном направлении со стабильностью 99%.
Такой мотор намного практичнее, чем предыдущие молекулярные аналоги. Ученые предлагают применять его и для движения наномашин, и для накопления энергии в наномасштабе.
Но есть у него и парочка странностей. Он сконструирован так, чтобы вращаться в одном направлении, как и обычный мотор, при помощи храповика. Но молекулярный механизм работает в обратном направлении. Каким-то образом наноротор ведет себя не так, как в макромире. Он все еще вращается в одном направлении, но почему-то в обратном.
Другая странность в том, что он нарушает закон классической физики. Обычно чтобы преодолеть сопротивление, требуется затратить определенный объем энергии. Но молекулярный ведет себя не так: он продолжает движение даже если энергии поступает очень мало — намного меньше, чем нужно для движения: при температуре -256 °C или напряжении менее 30 милливольт.
Это действие квантового туннелирования, когда частицы проходят сквозь барьеры, для преодоления которых у них обычно не хватило бы энергии. Но даже такое объяснение не удовлетворяет ученых полностью. Квантовое туннелирование считается свободным от трения, но в таком случае ротор вращался бы в любом направлении случайным образом. Тот факт, что он предпочитает одно в 99% случаев, указывает на то, что энергия каким-то образом теряется.
«Этот мотор дает нам возможность изучить процессы и причины рассеивания энергии в ходе квантового туннелирования», — сказал Оливер Гренинг, ведущий исследователь.
Американские ученые создали активируемые светом миниатюрные «дрели», способные прикрепиться к клеточной стенке бактерии и проделать в ней отверстие. Эксперименты показали, что такое воздействие либо убивает бактерию, либо делает ее более уязвимой к антибиотикам.
Видео:Самый маленький в мире 32-цилиндровый двигатель!Скачать
Самый маленький двигатель в мире
Испанский инженер по имени Патело собрал 12-цилиндровый V-образный двигатель, который, как он считает, является самым маленьким подобным двигателем в мире
Имея под рукой небольшое количество алюминия, бронзы и нержавеющей стали, он провел более 1200 часов времени, проектируя, вычерчивая, сверля и обрабатывая миниатюрные детали.
Поршни цилиндров двигателя имеют диаметр 11.3 мм, а рабочий объем двигателя составляет около 12 кубических сантиметров. Весь двигатель состоит из 261 детали, каждую из которых Пэтело создал своими собственными руками. Все детали соединены в единую конструкцию с помощью 222 винтов, которые являются единственными покупными изделиями.
К сожалению, этот двигатель не является полноценным двигателем внутреннего сгорания, он приводится в действие сжатым воздухом, которые подается по трубкам под давлением 0.1 атмосферы. Но он все равно работает и это можно увидеть на видео.
Читайте также: Масло для редуктора лодочного мотора ямаха двухтактный
Пэтело создал этот двигатель, не преследуя никаких коммерческих целей. Создание этого двигателя он посвятил своим четырем внукам и использует его в образовательных целях.
А вот действительно самый маленький двигатель в мире придумали еще в 2009 году.
Алекс Зеттл (Alex Zettl) и его коллеги из университета Калифорнии в Беркли (University of California, Berkeley) построили самый маленький в мире двигатель, поперечник которого составляет всего 200 нанометров — в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.
Двигатель эксплуатирует тот факт, что на масштабах в нанометры силы поверхностного натяжения играют большую роль, чем в «обычном» мире.
Полное название устройства — «Наноэлектромеханический осциллятор релаксации, приводимый силами поверхностного натяжения» (surface-tension-driven nanoelectromechanical relaxation oscillator).
Он состоит из двух мельчайших жидких капель металла индия, лежащих рядом друг с другом на подложке, составленной из углеродных нанотрубок.
Одна из капель меньше другой. Когда через подложку пропускают слабый постоянный ток (десятки микроампер при напряжении 1,3-1,5 вольта), он провоцирует убегание атомов из большой капли в меньшую.
Так как диаметр меньшей капли при этом растёт быстрее, чем уменьшается диаметр большой капли, наступает момент, когда меньшая капля соприкасается с большей, хотя по-прежнему уступает ей в размере.
В это мгновение силы поверхностного натяжения заставляют убежавшие атомы быстро вернуться к большей капле через точку контакта, и так восстанавливается первоначальное положение. Цикл начинается заново. Меняя напряжение можно регулировать частоту колебаний в системе.
Этот двигатель при соответствующих изменениях можно было бы применять в нанороботах для движения и привода исполнительных механизмов, в микроэлектромеханических схемах, микроскопических датчиках и так далее.
К сожалению, принцип, положенный в основу установки, работает только при таком масштабе. Ведь у этого нанодвигателя необычайно высокое отношение мощности к размерам.
Если бы его можно было бы увеличить до размеров автомобильного двигателя, то мощность осциллятора оказалась бы в сто миллионов раз больше.
А вот самый маленький звездообразный двигатель от нашего первого героя репортажа.
Теперь опять переключаемся в микромир.
В 2011 году ученые Штутгартского университета вместе с исследователями Института интеллектуальных систем Макса Планка испытали самый маленький паровой двигатель в мире. И хотя его пока нельзя использовать, эксперимент доказал, что подобное устройство, в принципе, может работать.
Физики не были уверены, что созданный ими двигатель Стирлинга придет в движение, поскольку из-за микроскопических размеров этому могли помешать различные процессы, не оказывающие влияния в макромире. В изобретенном 200 лет назад Робертом Стирлингом двигателе наполненный газом цилиндр периодически нагревается и охлаждается, в результате чего газ расширяется и сжимается. Благодаря этому поршень выполняет движение.
Ученым удалось уменьшить размер поршня и цилиндра до нескольких микрометров (тысячных миллиметра), а затем собрать все детали. Посему газ был заменен плавающим в воде пластиковым шариком размером 0,003 миллиметра. Благодаря тому, что эта коллоидная частица в 10 тысяч раз больше атома, за ее участием в броуновском движении можно было наблюдать в микроскоп.
Поршень заменили сфокусированным лазерным лучом переменной интенсивности. Это дало возможность ограничивать движение шарика в большей или меньшей степени – аналогично с расширением и сжатием газа в обычном двигателе. Необходимым условием было изменение температуры: для этого использовался другой лазер, который включался и моментально отключался, поскольку из-за маленького количества вода быстро нагревалась и охлаждалась.
Работа двигателя была нестабильной из-за того, что молекулы воды пребывают в постоянном движении и все время сталкиваются с микрочастицей. При этом масштабы обмена пластикового шарика энергией с окружающими молекулами были приблизительно сравнимы с количеством энергии, получаемой от луча. В макромире, например, энергия сталкивающихся частиц настолько мала, что совсем не влияет на работу двигателя. Тем не менее, эксперимент оказался успешным.
Я — masterok прощаюсь с вами на сегодня и до новых встреч на страницах Первого Коллективного Блога
- Свежие записи
- Чем отличается двухтактный мотор от четырехтактного
- Сколько масла заливать в редуктор мотоблока
- Какие моторы бывают у стиральных машин
- Какие валы отсутствуют в двухвальной кпп
- Как снять стопорную шайбу с вала
🎬 Видео
Они Решили Запустить Этот Древний Двигатель, То Что Произошло ПоражаетСкачать
Самый Надёжный Двигатель в Мире! «Миллионник»Скачать
Запуск самых мощных двигателей в мире!Скачать
ЭТИ ДВС ИЗМЕНЯТ МИР: W-Поршень Toyota, Свободный поршень с 50 КПД! Лёгкие и мощные!Скачать
БЕНЗИНЫЧ 35ссСкачать
⚒ Мини 4-х Тактный Двигатель на 3.5сс - Toyan FS-S100Скачать
Мини V-Twin - Обзор и Тест ДвигателяСкачать
Миниатюрные v8 двигатели внутреннего сгорания.Скачать
1-тактный ДВС, который Изменит Мир! Как это устроено? E-REX от INNEngineСкачать
24 цилиндра и ни одного клапана. Поршневые авиамоторы. Часть 2/Техникум Марка СолонинаСкачать
5 САМЫХ МОЩНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В МИРЕСкачать
Первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания - Интересные фактыСкачать
Мини ДВС из 1963г с Регулируемым Углом ЗажиганияСкачать
💦 Система Водяного Охлаждения для Мини ДВС + ТестСкачать
Старенький ДВС МК-12 на таких летали наши отцы в Союзе - пальцы отбивает замечательноСкачать
Новый Оборотистый мини Двигатель M17bСкачать
Микро Дизель - Колибри ОТМ 08Скачать
