Титановые снежинки нежно удерживают нанозаготовки
Нанотехнологии обещают очень многое: необычайная электроника и прочные сверхлёгкие материалы, микрокапсулы, доставляющие лекарства к нужным клеткам и армейские роботы-пылинки. Но «нанолевши», разрабатывающие эту технику, нуждаются в «нанопинцетах» и «наномолотках». Одно из самых необычных аналогичных устройств создано в Соединенных Штатах.
Автомобили, каковые смогут манипулировать маленькими объектами с точностью позиционирования в считанные нанометры, именуют наноманипуляторами.
В большинстве случаев это сверхсложные механизмы, большие и тяжёлые (бесплатно что носят приставку «нано»), а основное огорчение для физиков — они весьма дорогие.
Нынешние цены на них колеблются в районе несколькихдесятков тысяч долларов.
Вот если бы удалось создать аналог с более умеренной ценой, то, представьте, сколько маленьких лабораторий, университетов либо компаний имели возможность попытаться собственные силы в нанотехнологиях либо кроме того — выйти с каким-нибудь революционным нанотехнологическим продуктом на рынок.
Как раз об этом думает доктор наук Массачусетского технологического университета (MIT) Мартин Калпеппер (Martin Culpepper), трудящийся в лаборатории прецизионных совокупностей (Precision Systems Design and Manufacturing Laboratory).
Уже не первый год он конструирует наноманипуляторы, каковые отличаются от аналогов несколькими необычными вещами.
Схема «сердца» одного из первых наноманипуляторов учёного — машинки HexFlex. Для масштаба — размер Ls равен 41 миллиметру (иллюстрация с сайта psdam.mit.edu).
Они относительно несложны (но эта та простота, с целью достижения которой потребовалось большое количество бессонных ночей), компактны и дёшевы, а изготовить их легко без применения каких-либо «супернавороченных» разработок.
Один из первых таких манипуляторов называющиеся HexFlex был собран учёным практически что из подручных материалов и обошёлся всего в $2 тысячи.
Аппарат продемонстрировал точность позиционирования исследуемой (обрабатываемой) подробности по всем осям — меньше чем 5 нанометров (при перемещении в много микрон), чем посрамил многие существующие аппараты ценой в десятки раз выше, и благодаря чему завоевал в прошедшем сезоне разные призы.
В частности — приз от издания RD Magazine, как изобретение, попавшее в «Топ 100» научных и технических разработок года.
Упрощённая схема другого варианта центральной подробности (а их Калпеппер придумал много), наглядно показывающая, как нажатие на управляющие элементы (белые стрелки) приводят к смещению центра в любом желаемом направлении (иллюстрация с сайта psdam.mit.edu).
на данный момент же создатель данной машинки развивает целую плеяду её «родственников», отличающихся многими параметрами и деталями, но трудящимися на одних и тех же правилах.
Мартин говорит, что и субнанометровая точность перемещений — достижима. Без значительного повышения цены автомобили. Итак, нам пора познакомится с принципом действия его автомобилей.
В базе всех их лежит монолитная железная подробность, плоская пластина затейливой формы (она, форма, отличается у различных вариантов наноманипуляторов Калпеппера) — прочная, но упругая.
Один из последних наноманипуляторов Калпеппера в ходе сборки. Видно основание, на котором закреплена регулировочные деталь — «винты» — и центральная снежинка (фото с сайта technologyreview.com).
Влияя электромагнитными приводами на определённые её точки — изобретатель приобретает за счёт внутреннего напряжения и сил упругости в подробности мелкое (как будто бы масштабируемое в десятки раз) перемещение центра этого узла (к которому и крепится «наковальня» для нанозаготовки) по шести степеням свободы.
Это, разумеется, линейные перемещения по трём осям и повороты по трём осям кроме этого.
Отдалённо происходящее с данной пластиной напоминает вот что. Представьте спиральную пружинку, поставленную вертикально на столе.
Та же машинка с установленными приводами — актуаторами (фото с сайта technologyreview.com).
Надавите на её сверху, дабы первый виток опустился на сантиметр. На какое количество опустится самый нижний виток?
Само собой разумеется, на ноль — он же опирается на стол. А средний виток? Возможно, на полсантиметра. А участок, лежащий на несколько миллиметров выше поверхности стола?
Он сместится на доли миллиметра.
Вот вам и преобразователь ваших неотёсанных перемещений в «узкие». Подобно, влияя на три (либо шесть) точек собственных треугольников «и» затейливых «звёздочек» со «снежинками» (другими словами — центральные подробности изобретённых Мартином манипуляторов) и смещая их на доли миллиметра либо кроме того микроны — инженер приобретает нанометровые смещения центра данной подробности.
Принципиально важно, что в базе манипулятора как раз упругая монолитная подробность. Так как в том месте, где имеется собрание нескольких звеньев, неизбежно появляются ошибки и люфты при работе — таковой подход к созданию манипуляторов Калпеппер именует «ветхой парадигмой».
Наноманипулятор в сборе. Сверху виден блок контроля перемещений примера (фото с сайта technologyreview.com).
Необходимо добавить, что построение автомобили начинается в очевидном механическом цехе, где водный резак, управляемый компьютером, выкраивает в один заход из целой титановой пластины «сердце» будущего наноманипулятора.
Разнонаправленное либо симметричное подталкивание краёв пластины и трёх «шайб» с отверстиями, висящими на узких усиках — в ту либо иную сторону — создаёт желаемый эффект на исследуемую подробность. Подталкивание это снабжают электромагнитные соленоидные приводы.
Но прежде, чем начать работу, необходимо совершенно верно настроить пластину — дабы она была напряжена симметрично и одинаково реагировала на нажатия с различных сторон. Для этого в совокупность введены три винта, с микронным шагом.
Всё совместно эти подробности закрепляются на массивном алюминиевом основании, выточенном с высокой точностью.
Micro HexFlex (фото с сайта psdam.mit.edu).
Примечательно, что микровинты не только снабжают верную реакцию треугольника на управляющие действия, но и разрешают подстроить машину под разные научные задачи.
Создавая предварительное напряжение в фигурной детальке, экспериментаторы смогут комбинировать высочайшую точность перемещений с маленьким диапазоном дешёвых перемещений, либо, наоборот, чуть более неотёсанную реакцию автомобили со намного большим диапазоном перемещения.
«Это чтобы люди не тратили пара тысяч долларов лишь на решение одной только задачи», — поясняет идею Калпеппер.
Необходимо заявить, что уже в таком виде машина способна показывать высокую точность позиционирования.
Калпеппер в собственной лаборатории. На столе — наноманипулятор (фото с сайта technologyreview.com).
Но учёный ещё дополняет её обратной связью. Это верхняя замечательная «крыша» устройства, снабжённая шестью ёмкостными датчиками перемещения, «скармливающие» собственные данные в компьютер, управляющий электромагнитным приводом.
Любопытно, что на перемещение центрального узла автомобили воздействуют кроме того звуки беседы, каковые отражаются на экране радостной чехардой цифр.
Новые наноманипуляторы, каковые учёные проектируют на данный момент, будут надёжно защищены от внешних возмущений, так что текущие передвижения точности и рекорды позиционирования нанодеталей устоят недолго.
А до тех пор пока инженеры и другие учёные восхищаются, как «левша» Мартин сумел выстроить такие правильные автомобили фактически из ничего — умелец создал, совместно с сотрудниками из вторых лабораторий университета, самый мелкий в мире наноманипулятор — диаметром всего в один миллиметр — Micro HexFlex.
