열 구배로 동작하는 탄소나노튜브 액추에이터

KISTI 『글로벌동향브리핑』 2009-12-18

과학자들은 전기, 화학, 생화학 또는 기계적 에너지를 전원으로 하는 나노스위치, 나노베어링, 나노기어, 기가헤르츠 오실레이터(gigahertz oscillator)를 포함하는 다양한 탄소나노튜브 기반 나노장치 또는 나노기계를 고안했다. 최근에, 나노조립품 사이의 열 구배(thermal gradient, 온도 차이)가 고체 나노입자 또는 물 나노방울(nanodroplet)을 구동시킬 수 있다는 것을 실험적이고 수치적으로 증명했다. 청화 대학(Tsinghua University) 연구진은 이중벽 탄소나노튜브의 열 구배로 유도된 동작을 조사하기 위해서 분자 동역학 시뮬레이션을 사용했고 열 유량(heat flux)이 이중벽 탄소나노튜브의 상대 운동을 작동시킬 수 있을 것이라고 믿고 있다. 열 구동력은 1 K/nm 온도 구배에서 피코 뉴턴(pico Newton)의 크기이다. 구동력은 대략 온도 구배에 비례하는 것으로 알려졌다. 5 nm 보다 더 긴 외부 튜브에서, 열 구동력은 거의 일정하다. 그러나 5 nm보다 더 짧은 외부 튜브에서, 구동력은 튜브 길이 감소에 따라 감소한다. 운동은 이중벽 탄소나노튜브의 키랄성 쌍(chirality pair)과 시스템 온도에 의존하였다. 서로 다른 키랄성 쌍을 기반으로 해서, 이중벽 탄소나노튜브의 상대 운동은 최저 에너지 트랙으로 국한된다. 시스템 온도가 임계 온도보다 더 높을 때, 무작위적인 움직임을 보이지만 시스템 온도가 임계 온도 이하가 될 때, 회전과 병진 또는 나선형(회전과 병진의 결합)으로 움직일 수 있었다. 이중벽 탄소나노튜브의 이런 행위는 나노장치의 방향 제어를 할 수 있는 길을 열어줄 것이다. 또는 이 연구결과는 차세대 나노장치의 설계에 도움을 줄 수 있을 것이다. 이 연구는 청화 대학의 연구진에 의해서 수행되었고 중국 국립과학재단(No. 50606018)과 청화 정보과학기술 연구실(Tsinghua National Laboratory for Information Science and Technology, TNList)의 학문 간 융합 기금에서 자금이 지원되었다. 연구진은 현재 열 과학(thermal science)이라는 새로운 개념과 마이크로/나노 크기 열 이동에 관심을 가지고 조사하고 있다. 이 연구결과는 Nanotechnology에 “Thermal gradient induced actuation in double-walled carbon nanotubes” 이라는 제목으로 게재되었다(Quan-Wen Hou et al 2009 Nanotechnology 20 495503 (8pp) doi: 10.1088/0957-4484/20/49/495503). 그림. 분자 동역학 시뮬레이션: 이중벽 탄소나노튜브의 열 구배로 유도된 동작 image11.jpg 출처 : http://nanotechweb.org/cws/article/lab/41249