カーボンナノチューブナノモーター

カーボンナノチューブを主成分として直線運動または回転運動を生成する装置は、ナノチューブナノモーターと呼ばれます。自然界にはすでに、最も効率的で強力な種類のナノモーターがいくつか存在します。これらの天然の生物学的ナノモーターの一部は、望ましい目的を果たすように再設計されています。ただし、このような生物学的ナノモーターは、特定の環境条件 ( pH、液体媒体、エネルギー源など) で動作するよう設計されています。一方、実験室で作られたナノチューブナノモーターは、はるかに堅牢で、さまざまな周波数、温度、媒体、化学環境など、さまざまな環境で動作できます。マクロスケールとマイクロ/ナノスケールの間の支配的な力と基準の大きな違いは、テーラーメイドのナノモーターを構築する新しい方法を提供します。カーボンナノチューブのさまざまな有益な特性により、カーボンナノチューブはこのようなナノモーターのベースとして最も魅力的な材料となっています。

世界初のマイクロメートルサイズのモーターを作ったわずか 15 年後、アレックス ゼトルはカリフォルニア大学バークレー校のグループを率いて、2003 年に初のナノチューブ ナノモーターを製作しました。それ以来、熱勾配で駆動するナノアクチュエータや概念的な電子風車など、いくつかの概念とモデルが生み出され、どちらも 2008 年に公開されました。

クーロンの法則によれば、2 つの物体間の静電気力は、その距離の 2 乗に反比例します。したがって、距離が数マイクロメートル未満になると、2 つの物体にかかる一見小さな電荷から大きな力が生成されます。ただし、静電気の電荷は 2 乗に比例するため、次の式に示すように、静電気力も 2 乗に比例します。

${\displaystyle C={{\varepsilon A} \over d}\propto L}$

${\displaystyle E\propto L^{0}}$

${\displaystyle V=E*L=E*L\propto L}$

${\displaystyle Q=CV\propto L^{2}}$

${\displaystyle F=A*E^{2}\propto L^{2}}$

あるいは

${\displaystyle F={{Q_{1}*Q_{2}} \over d^{2}}\propto {{L^{2}*L^{2}} \over L^{2}}\プロプト L^{2}}$^[1]

ここで、A は面積、C は静電容量、F は静電気力、E は静電場、L は長さ、V は電圧、Q は電荷です。静電気力のスケーリング特性にもかかわらず、静電気力はマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS) の分野における感知および作動の主要なメカニズムの 1 つであり、最初の NEMS ナノモーターの動作メカニズムのバックボーンとなっています。多くの MEMS デバイスのコーム ドライブに見られるように、静電気力を生成するユニットの数を増やすことで、二次スケーリングが緩和されます。

静電気力と同様に、摩擦力は大きさF ~ L ²の2乗に比例します。^[2]

摩擦は、デバイスの規模に関係なく、常に悩まされる問題です。デバイスが小型化されると、この問題はより顕著になります。ナノスケールでは、ナノ電気機械システム(NEMS) デバイスの部品が数原子の厚さしかない場合があるため、考慮に入れないと大惨事を引き起こす可能性があります。さらに、このような NEMS デバイスは、通常、表面積と体積の比率が非常に大きいです。ナノスケールの表面は山脈に似ており、各ピークは原子または分子に対応しています。ナノスケールでの摩擦は、2 つの表面間で相互作用する原子の数に比例します。したがって、マクロスケールでの完全に滑らかな表面間の摩擦は、実際には大きな粗い物体が互いにこすれ合うのと似ています。^[3]

しかし、ナノチューブ ナノモーターの場合、多層ナノチューブ (MWNT) のシェル間摩擦は著しく小さい。分子動力学研究では、小さなピークを除けば、特定の滑り速度に達するまで、すべての滑り速度で摩擦力がほとんど無視できることがわかっている。滑り速度、誘導回転、シェル間摩擦力を印加力に関連付けるシミュレーションにより、壁間摩擦が低い理由を説明できる。マクロスケールの予想に反して、内側のチューブが外側のチューブ内を移動する速度は、印加力と線形関係にはならない。代わりに、印加力が増加すると値が次のプラトーにジャンプすることがあるにもかかわらず、速度は一定 (プラトーのように) のままである。非キラルな内側のチューブでは、実際の回転は確認されない。キラル チューブの場合は、真の回転が確認され、線速度のジャンプに合わせて角速度もプラトーにジャンプする。これらのプラトーとジャンプは、摩擦ピークの速度増加の自然な結果として説明できます。ピークの安定側（上昇側）はプラトーにつながり、下降側（不安定側）はジャンプにつながります。これらのピークは、内管の滑りによる管壁の振動モードのパラメトリック励起によって発生します。速度プラトーに対応する小さなピークを除いて、摩擦力は特定の滑り速度まですべての滑り速度に対してほとんど無視できます。これらの速度プラトーは、摩擦力のピークに対応しています。滑り速度の突然の上昇は、管間の波形周期に依存する周波数と、滑り速度とほぼ等しい群速度を持つ外管の特定のフォノン周波数との間の共鳴条件によるものです。^[4]

最初のナノモーターは、同等のマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS) モーターの縮小版と考えることができます。ナノアクチュエータは、多層ナノチューブ(MWNT)の軸を中心に回転する金メッキのローターで構成されています。MWNT の端は、接触点の 2 つの電極を形成する SiO ₂層の上にあります。3 つの固定ステーター電極 (2 つの目に見える「平面」ステーターと、表面下に埋め込まれた 1 つの「ゲート」ステーター) がローターアセンブリを囲んでいます。4 つの独立した電圧信号 (1 つはローターに、もう 1 つは各ステーターに) が適用され、位置、速度、回転方向が制御されます。記録された経験的な角速度は、完全な回転中の下限が 17 Hz です (ただし、はるかに高い周波数で動作できます)。^[5]

MWNT はアーク放電法で合成され、1,2-ジクロロベンゼンに懸濁され、1 μm の SiO _{2で縮退ドープされたシリコン基板上に堆積されます。MWNT は}、原子間力顕微鏡(AFM) または走査型電子顕微鏡(SEM)を使用して、基板上に事前に作成されたマーキングに従って配置できます。ローター、電極、および「面内」ステーターは、適切にマスクされたフォトレジストを使用した電子ビームリソグラフィーを使用してパターン化されます。クロム接着層を備えた金は熱蒸着され、アセトンで除去され、次に 400 °C でアニールされて、MWNT との電気的および機械的接触が向上します。ローターの一辺は 250～500 nm です。次に、HF エッチングを使用して、ローターが回転するときにスペースを確保するために、基板から十分な厚さ (500 nm の SiO ₂ ) を除去します。Si 基板はゲート ステーターとして機能します。この時点での MWNT は、非常に高いねじりバネ定数(10 ⁻¹⁵～ 10 ⁻¹³ N m、共振周波数は数十メガヘルツ) を示し、大きな角度変位を防止します。これを克服するために、アンカーとロータープレートの間の領域で 1 つ以上の外側の MWNT シェルが損傷または除去されます。これを実現する簡単な方法の 1 つは、非常に大きなステーター電圧 (約 80 V DC) を連続的に印加して機械的疲労を引き起こし、最終的に MWNT の外側シェルをせん断することです。別の方法としては、ロータープレートの下で最も外側の MWNT チューブを小さく幅広の同心ナノチューブに縮小する方法があります。^[5]

より小さなナノチューブは、電気破壊技術の変種である電気駆動蒸発法（EDV）を使用して製造されます。2つの電極間に電流を流すと、通常、ナノチューブの片側のみの最外殻が破損します。そのため、1つの電極とMWNTの中心の間に電流を流すと、この電極と中心の間の最外殻が破損します。このプロセスが反対側でも繰り返され、長いチューブに沿って低摩擦ベアリングのように動作する短い同心円状のナノチューブが形成されます。^[6]

単一のナノアクチュエータによって生成される出力はごくわずかであるため、より高度なタスクを達成するには、このようなアクチュエータのアレイを使用する必要性が生じます。化学気相成長 (CVD) などの従来の方法では、基板上に直接成長させることにより、ナノチューブを正確に配置できます。ただし、このような方法では、非常に高品質の MWNT を生成できません。さらに、CVD は高温プロセスであるため、システム内の他の材料との適合性が著しく制限されます。Si 基板を電子ビームレジストでコーティングし、アセトンに浸して薄いポリマー層のみを残します。基板は、SEM の低エネルギー電子ビームに選択的にさらされ、後でポリマーの接着特性が活性化されます。これがターゲット方法の基礎となります。アラインメント方法は、回転する基板から流れ落ちる流体によって得られる表面速度を利用します。MWNT は、アクアソニック浴槽で超音波処理することにより、オルトジクロロベンゼン (ODCB) に懸濁され、ほとんどの MWNT 束が個々の MWNT に分離されます。次に、この懸濁液を 3000 rpm で回転するスピンコーターに取り付けられたシリコン基板の中央に 1 滴ずつピペットで滴下します。次の懸濁液滴は、前の滴が完全に乾燥してから滴下します。これにより、MWNT の密度が高まり、より適切な配向が確保されます (長さ 1 μm を超える MWNT の 90% が 1° 以内になります)。標準的な電子ビームリソグラフィーを使用して、ナノアクチュエータの残りのコンポーネントをパターン化します。^[7]

この技術は、不活性ガス雰囲気中でのフラーレン合成に使用される標準的なアーク放電技術の変形です。図 1.3 に示すように、この実験は、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスが一定圧力で流れる反応容器内で行われます。このチャンバー内で、通常 1～4 mm の短い距離で分離された 2 つのグラファイト電極 (陽極と陰極の直径はそれぞれ 6 mm と 9 mm) に、約 18 V の電位が印加されます。ナノチューブの形成を確実にするために電極に流す電流の量 (通常 50～100 A) は、電極の寸法、分離距離、および使用する不活性ガスによって異なります。その結果、炭素原子が陽極から放出されて陰極に堆積し、陽極の質量が縮小して陰極の質量が増加します。黒い炭素質堆積物（ナノ粒子とナノチューブの 1:2 の比率の混合物）が陰極の内側で成長し、外側に硬い灰色の金属殻が形成されるのが見られます。出発グラファイト材料の割合としてのナノチューブの総収量は、圧力 500 torr でピークに達し、この時点で消費されたグラファイトロッドの 75% がナノチューブに変換されます。形成されたナノチューブは、直径 2 ～ 20 nm、長さは数マイクロメートルから数マイクロメートルの範囲です。^{[8]この方法には、レーザーアブレーションや}化学蒸着などの他の技術よりも構造欠陥が少ない（成長温度が高いため）、電気的、機械的、熱的特性が優れている、生産速度が高い（10 分で数百 mg）など、いくつかの利点があります。^[9]

カーボンナノチューブの大規模合成では、通常、異なるタイプのカーボンナノチューブがランダムに異なる割合で生成されます。半導体のものもあれば、電気的特性が金属的なものもあります。ほとんどのアプリケーションでは、このような特定のタイプのナノチューブを使用する必要があります。電気分解技術は、必要なタイプのナノチューブを分離して選択する手段を提供します。カーボンナノチューブは、炭素原子間の強力なシグマ結合により、最大 10 ⁹  A/cm ^{2の非常に大きな}電流密度に耐えることが知られています。ただし、十分に高い電流では、ナノチューブは主に最外殻の急速な酸化により破損します。その結果、数秒以内に部分的な伝導性の低下が明らかになります。バイアスを増加すると、カーボンシェルの連続的な破損により、伝導性が複数の独立した段階的に低下します (図 1.4)。MWNT の電流は、通常、このシェルと電極が直接接触しているため、最外殻を通過します。 MWNTの内層に影響を与えることなくシェルを制御的に破壊することで、ナノチューブを効果的に分離することができます。^[10]

ローターは静電駆動によって回転します。以下に示すように、2 つの平面ステーターS ₁、S ₂に位相がずれた共通周波数の正弦波電圧が、ゲート ステーターS ₃に倍周波数の電圧信号が、ローター プレート R に DC オフセット電圧が印加されます。

${\displaystyle S_{1}=V_{0}\sin(\omega t)}$

${\displaystyle S_{2}=V_{0}\sin(\omega t-\pi )}$

${\displaystyle S_{3}=V_{0}\sin(2\omega t+{\pi /2})}$

${\displaystyle R=-V_{0}}$

これらの非対称ステータ電圧（5V未満）を順次印加することにより、ロータープレートを連続するステータに引き寄せることができ、プレートを1回転させることができます。ステータとロータープレートが近接していることが、静電駆動に大きな力が必要ない理由の1つです。バイアスを反転すると、予想どおりローターが反対方向に回転します。^[5]

• 回転する金属板は、可視光の焦点を合わせる限界にあるため、超高密度の光スイーピングおよびスイッチング デバイスのミラーとして使用できます。このようなアクチュエータのアレイは、それぞれが高周波機械フィルタとして機能し、通信における並列信号処理に使用できます。
• このプレートは、マイクロ流体アプリケーションで流体の動きを誘発または検出するためのパドルとして使用できます。また、生物システムにおける生体力学的要素、湿式化学反応におけるゲート触媒、または一般的なセンサー要素として使用できます。
• 帯電振動金属板は電磁波の送信機として使用できる可能性がある。^[5]

図 2.1 に示すナノアクチュエータは、長い MWNT を介して接続された 2 つの電極で構成されています。金プレートが積荷として機能し、より短く幅の広い同心ナノチューブに接続されています。積荷は、通過する高電流によって引き起こされる長いナノチューブ内の熱勾配により、より冷たい電極に向かって移動します (図 2.2)。最大速度は 1 μm/s と推定され、これはキネシンバイオモーターによって達成される速度に匹敵します。^[11]

MWNT は標準的なアーク放電蒸着法で製造され、酸化シリコン基板上に堆積される。MWNT の中心にある金板は、電子ビームリソグラフィーと Cr/Au 蒸着法でパターン化される。同じプロセスで、電極がナノチューブに取り付けられる。最後に、電気分解技術を使用して、MWNT の外壁の一部を選択的に除去する。Zettl グループのナノアクチュエータと同様に、これにより、短いナノチューブを長いチューブの軸に沿って低摩擦で回転および移動させることができる。電気分解技術を適用しても、積荷の下のチューブは除去されない。これは、金属積荷がチューブのすぐ近くの部分で発生した熱を吸収し、この部分のチューブの酸化を遅らせたり、場合によっては防止したりするからであると考えられる。^[11]

長いチューブと短いチューブの相互作用により、運動を特定の軌道（並進と回転）に制限するエネルギー面が生成されます。短いチューブの並進運動と回転運動の程度は、図 2.3 に示すように、2 つのチューブのキラリティーに大きく依存します。ナノアクチュエータ内の運動は、短いチューブが最小エネルギーの経路をたどる傾向を示しました。この経路は、ほぼ一定のエネルギーを持つか、一連の障壁を持つ可能性があります。前者の場合、原子の摩擦と振動運動は無視できますが、後者のシナリオでは段階的な運動が予想されます。^[11]

ステップ状の運動は、長いチューブと短いチューブの間の相対運動に対する周期的なエネルギー障壁の存在によって説明できる。与えられたナノチューブのペアでは、回転のステップと並進のステップの比は通常定数であり、その値はナノチューブのカイラリティに依存する。このような障壁のエネルギーはナノチューブ内の温度から推定することができ、その下限は、電流がナノモーターを通過すると金板が溶けて球状構造を形成することに注目して、金の融点（1300 K）として推定することができる（図2.4）。運動速度γは、試行周波数、ボルツマン定数、および温度の関数として次のように表すことができる。 をとった場合、近似値を使用する。 ここで、mは積荷の質量で接触面積を表すため、障壁の高さは原子あたり17 μeVと推定される。^[11]${\displaystyle \omega}$${\displaystyle k}$${\displaystyle T}$$${\displaystyle \Gamma ={\omega \over 2\pi }e^{{-\Delta E} \over kT}.}$$${\displaystyle \Gamma \approx 1{\text{Hz}}}$$${\displaystyle \omega ={\sqrt {\Delta E \over {ma_{0}^{2}}}},}$$${\displaystyle a_{0}^{2}}$

ナノアクチュエータの駆動メカニズムを説明するために、多くの提案がなされた。アクチュエータを駆動するために必要な高電流 (0.1 mA) は、表面の汚染物質を洗浄するのに十分な消散を引き起こす可能性が高いため、汚染物質が大きな役割を果たしている可能性は排除される。電子が衝突による運動量移動を介して原子不純物を移動するエレクトロマイグレーションの可能性も、電流方向の反転が変位の方向に影響を与えなかったため、排除された。同様に、回転運動は、ナノチューブを通過する電流による誘導磁場によって引き起こされたはずがない。なぜなら、回転はデバイスに応じて左回りまたは右回りになる可能性があるからである。金属板は、大きな印加電位下でも高抵抗デバイスでは動かないため、漂遊電場効果が駆動要因であるはずがない。ナノチューブ内の熱勾配は、駆動メカニズムの最良の説明となる。^[11]

短いナノチューブの誘導運動は、摩擦で発生する熱散逸の逆として説明される。摩擦では、接触している 2 つの物体の滑りにより、界面の波状化によって生じるフォノニック励起として運動エネルギーの一部が散逸する。ナノチューブに熱勾配が存在すると、高温領域から低温領域へ移動するフォノニック励起の正味電流が発生する。これらのフォノニック励起と可動要素 (短いナノチューブの炭素原子) との相互作用により、短いナノチューブが動く。これが、短いナノチューブが低温電極に向かって動く理由である。電流の方向を変えても、長いナノチューブの熱勾配の形状には影響しない。したがって、積荷の移動方向は、適用されるバイアスの方向とは無関係である。積荷の速度がナノチューブの温度に直接依存していることは、長いナノチューブの中間点からの距離が増加するにつれて積荷の速度が指数関数的に減少するという事実から推測される。^[11]

MWNT がさらされる温度と熱勾配は非常に高い。一方で、高い熱勾配はこのようなナノアクチュエータの寿命に非常に有害な影響を及ぼすと思われる。一方、実験では、短いチューブの変位が熱勾配に正比例することがわかっている (図 2.5 を参照)。したがって、熱勾配を最適化するには妥協点を見出す必要がある。可動ナノチューブの寸法は、エネルギー障壁の高さに直接関係している。現在のモデルは複数のフォノンモードを励起するが、選択的なフォノンモード励起によりフォノン浴温度を下げることができる。^[11]

• 医薬品/ナノ流体 – 熱勾配は、ナノチューブ内またはナノ流体デバイス内の流体を駆動するために、またナノシリンジによる薬物送達に使用できます。
• アデノシン三リン酸（ATP）分子から発生する熱を利用してバイオエンジニアリングされたナノポアを動かす。^[11]

図3.1に示すように、ナノモーターは、外部の金電極に固定されたアキラル（18,0）外管と、より狭いキラル（6,4）内管から形成された二重壁CNT（DWNT）で構成されています。外管の中央部分は、電気分解技術を使用して除去され、自由に回転する内管が露出しています。ナノドリルも、金電極に接続されたアキラルな外側ナノチューブで構成されていますが、内管は水銀槽に接続されています。^[12]

従来のナノチューブナノモーターは、弾性、静電気、摩擦、ファンデルワールス力などの静的力を利用しています。電子風車モデルは、上記のナノアクチュエータに必要な金属プレートとゲートを必要としない新しい「電子タービン」駆動機構を使用しています。電極間に直流電圧が印加されると、左から右に電子の「風」が生成されます。外側の非キラルチューブに入射する電子流束は、最初は角運動量がゼロですが、内側のキラルチューブと相互作用した後、有限の角運動量を獲得します。ニュートンの第 3 法則により、この流束は内側のナノチューブに接線力 (したがってトルク) を生成し、回転を引き起こします。そのため、このモデルは「電子風車」と呼ばれています。中程度の電圧の場合、電子風によって生成される接線力は、関連する摩擦力をはるかに上回ります。^[12]

電子風車の主な用途には以下のものがあります。

• 電圧パルスにより、内部要素が計算された角度で回転し、デバイスがスイッチまたはナノスケールのメモリ要素として動作するようになります。
• 電子風車を改造して、電気接点を圧力差の影響下にある原子または分子の貯蔵庫に置き換えることでナノ流体ポンプを構築する。^[12]

• カーボンナノチューブ
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• モーター（曖昧さ回避）
• ナノモーター
• ナノテクノロジー
• 合成分子モーター

• 物理学者らがナノチューブとエッチングシリコンを使って世界最小のモーターを開発
• ナノチューブ ナノモーター研究プロジェクト 2011-07-20 にWayback Machineでアーカイブ
• 「電子風」で動くカーボンナノチューブ風車
• Zettl Group Research: ナノチューブローター補足資料
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