Наноэлектромеханические системы (НЭМС) (англ. Nanoelectromechanical systems (NEMS)) характеризуются малыми размерами, при этом их размеры соответствуют функциям, выполняемым устройствами. Граничные размеры варьируются от нескольких сотен до единиц нанометров. Новые физические свойства, появившиеся благодаря малым размерам, играют ведущую роль в операциях, выполняемых этими устройствами, поэтому для их изготовления требуются новые подходы. В настоящее время можно выделить две основные тенденции в создании НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем (МЭМС) и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление. К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или наноэлектромеханической системе может осуществляться также электрически, термически или химически. Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Исследователи из Беркли (США) создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор. Вращающаяся часть, называемая ротором, – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5В, ученые заставляют наномотор вращаться. В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл-диэтектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%. Если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – вирусы, бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным природным молекулярным моторам. Химическое управление такими наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют свет, который, воздействуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделаный из молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать 3 микрометров. Диаметр этого стержня – всего 2 нанометра. Вместо «нанобатарейки» такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный источник энергии, которым пользуются живые клетки. Существует много других наноактюаторов, сделанных из биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов.

НЭМС осциллятора

Тезаурус

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) (Nanoelectromechanical systems (NEMS))

Тематический раздел (поле): Наноэлектроника, Наноинженерия, Нанобиотехнологии, Метрология и стандартизация, Нанотехнологии для безопасности, Нанотехнологии ТЭК, Наноэнергетика

Функциональный разряд: Объект

Аскрипторы: Молекулярные двигатели, молекулярные электромеханические устройства, наномеханические устройства, наноактюаторы, наносенсоры

Отношения иерархические (род-вид): Наноэлектромеханические системы → Наноэлектроника → Продукция, изготовленная с применением нанотехнологий

Отношения ассоциативные Наноэлектромеханические системы ~ Молекулярные двигатели, Наноактюаторы, Пьезодвигатели, Тепловые актюаторы, Наномашины, Биологические наноактюаторы, АТФ, Нанорезонаторы, Нановесы, Наносенсоры

Литература по теме

1. T. Cornelius: Handbook Techniques and Applications Design Methods; Fabrication Techniques; Manufacturing Methods; Sensors and Actuators; Medical Applications. Springer, 2007, p.1350
2. C. P. Poole, F.J.Owens, Introduction to Nanotechnology Wiley-Interscience 2003, p. 400
3. М. Рыбалкина, Нанотехнологии для всех, М. 2005
4. M. Köhler, W. Fritzsche, Nanotechnology: An Introduction to Nanostructuring Techniques, Willey-VCH, 2004
5. A. M. Fennimore et al., Nature 424 (July 2003) 408 – 410