2.2.1微機電係統(MEMS)

    MEMS具有從微米到毫米的特征尺寸。看看有多少錢,認為常規紙張厚度在70到180微米之間。
    MEMS由機械(杠杆,彈簧,膜等)的任何組合組成,電氣(電阻器,電容器,電感器等)組件作為傳感器或致動器。
    蟎蟲,尺寸小於1毫米,接近微尺度齒輪鏈
    蟎蟲,尺寸小於1毫米,接近微尺度齒輪鏈。(來源:桑迪亞國家實驗室)
    例如,MEMS用作現代汽車安全氣囊中的加速度計,在那裏它們感知快速減速,並且如果力超出編程閾值,則啟動安全氣囊的膨脹。
    在不使用許多MEMS設備的情況下,今天的智能手機的大小將是不可能的。除了加速度計和陀螺儀外,智能手機還包含微鏡,圖像傳感器,自動聚焦致動器,壓力傳感器,磁力計,麥克風,接近傳感器等等。

    2.2.2納米機電係統(NEMS)

    使用NEMS和其他納米級設備,我們正在陷入較小的納米長度(1微米等於1000納米)的較小區域。NEMS不用於商業應用,但研究人員正在實驗室標本。除此之外,NEM預計將提供納米級傳感器,開關和諧振器。
    對於研究人員來說,NEMS是如此興起,因為他們提供了否則難以測量甚至完全無法進入的尺度:微波範圍內的頻率;積極的群眾在戲劇圖中(10-15克)範圍;在Attonewton的力敏感(10-18牛頓)水平;在單個分子水平的質量敏感性,遠低於yoctocalorie的熱容量(10-24卡路裏)(見納機電係統,pdf)。看看我們的度量標準前綴指南有關衡量標準單位的更多細節。
    為了能夠測量影響MEMS和NEMS的納米抗體的微小力,科學家們在實驗中采用極其敏感的儀器:掃描探針顯微鏡,如掃描隧道顯微鏡(STM),原子力顯微鏡(AFM)和側向力顯微鏡(LFM)或摩擦力顯微鏡。

    2.3學習自然

    大自然已經嚐試了摩擦調整係統,以百萬年的尺寸非常小(即納米)秤。科學家們試圖了解這些自然係統如何工作以及如何為人工設備複製。
    為此,他們分析了微小有機物體等昆蟲,細菌,矽藻,甚至DNA螺旋的摩擦行為。
    特別是矽藻,單細胞微藻,被認為是生物納米類別調查的模型係統(參見:微量和納米級的生物學,如矽藻的例子,pdf)。矽藻表現出高效的自潤滑,他們對科學的大吸引力是它們是小型,高度生殖的,並且具有不同類型的顯微鏡方法。
    掃描電子顯微鏡圖像的海洋矽藻
    掃描電子矽藻的電子顯微鏡圖象。(資源:Mogana Das Murtey和Patchamuthu Ramasamy。cc by 3.0)
    因此,這些結構提高了巨大的研究興趣並已成為納米科學家的重要領域並不奇怪。這些調查導致了許多提案,以減少納米級上的摩擦,例如用納米透艙器構建表麵。
    已經,微型和納米級製造的進步使得匹配和在一些罕見的情況下甚至超過生物設計的性能的人為表麵的製造。

    2.4超級潤滑性

    一個特別有趣的情況,摩擦幾乎消失是一種稱為的現象超級潤滑性,其中表麵簡單地彼此滑動,幾乎沒有任何電阻(調用的狀態)近零摩擦)。
    然而,迄今為止,觀察到的大多數超級潤滑性在實驗上僅在納米級和高真空等極端條件下實現了,或者通過使用排斥來實現範德沃爾斯力量。因此,它還並不適合現實世界應用。
    在機械係統中實現超級潤滑性的難度是由於這些係統的滑動界麵同時發生的非常複雜的物理,化學和機械相互作用。
    二維(2D)材料的最新進展,例如石墨烯,(但也是六邊形氮化硼,二硫化鉬和其他2D材料)興奮地激發了摩擦學界,因為這些材料的優異摩擦學性質降低了超級製度的摩擦力。這使得創建原子薄固體潤滑劑的實際可能性。
    石墨烯.- 由碳原子製成的原子級蜂窩晶格 - 這是一個有充分的潤滑劑,因為在某些情況下薄片之間的摩擦是微量的。例如,在使用原子力顯微鏡時,科學家們在金色表麵拖過金色表麵時發現超級摩擦。該發現設定了基於石墨烯的近無摩擦塗層的潛力。
    使用這些2D材料和它們的組合,研究人員正在嚐試它們的優異的摩擦學特性,以探索超級潤滑機製可以在長度尺度上實現,從而破壞僅限於僅限納米和微觀級別的舊障礙。
    兩個2d六邊形硼氮化物納米蛋白酶
    兩個2d六邊形硼氮化物納米片。(圖片:曼徹斯特大學)
    在商業和工業應用中實現接近零摩擦將從永不磨損的微型微機電係統中的遊戲變化,在工業設備中無油軸承,即使在低風狀態下也能夠更高效的發動機和巨型風力渦輪機清除能量。
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