미래 나노소자를 가늠하는 회전 나노튜브 모터

http://mirian.kisti.re.kr/futuremonitor/view.jsp?record_no=253811&cont_cd=GT
KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-11
회전하는 내부 튜브와 고정된 외부 튜브를 가진 가장 단순하고 작은 모터들 중 하나로 이중 벽 탄소 나노 튜브 (DWCNT)는 미래 나노 소자들의 다양성에서 중요한 역할을 할 수 있을 것이다. 새로운 연구에서 연구원들은 상대적으로 높은 균일한 온도에 의해 움직임이 유도되는 DWCNT 모터의 내부 튜브 회전 특성을 연구했다. 호주 국립 대학과 중국 양글링(Yangling)에 위치한 남서부 A&F 대학 연구팀은 나노테크놀러지 잡지의 최신 이슈로 DWCNT 회전 모터에 대한 논문을 게재하였다. 연구팀의 설명에 따르면, DWCNT들은 두 가지 중요한 특성들의 조합 때문에 효율적인 모터들로 작동할 수 있는 잠재력을 가지고 있다고 한다. 여기서, 하나의 중요한 특성은 DWCNT들의 강한 공유 결합에 의한 각 개별 튜브의 큰 힘이고, 다른 중요한 특성은 반 데르 발스 상호 작용들에 의한 두 인접한 튜브들 사이의 약한 상호 작용이다. 이전 연구가 보여준 바와 같이, 내부의 튜브는 회전 운동과 병진 운동(앞 뒤로의 움직임) 중 어느 하나에 의해 외부 튜브 내로 이동할 수 있다. 내부 튜브의 특정 운동 트랙은 외부 튜브 내의 원자 상호 작용에 의해 정의된다. 이전 연구들은 온도 변화도에 비례하는 구동력과 아주 작은 마찰과 같은 나노 크기에서 DWCNT들의 현상과 연관된 다양한 운동을 드러냈다. 연구팀은 새로운 연구에서 DWCNT 모터의 회전이 일정 온도에 의해 감소될 수 있다는 시뮬레이션들을 보였다. 대략 실온(300K)에서 내부 튜브는 회전을 야기하는 대칭 형태를 잃어버린다. 연구팀은 내부 튜브들의 회전에 영향을 주는 세가지 요인들, 즉 환경 온도, 외부 튜브의 고정된 부분의 길이, 내부 튜브 갭을 조사하였다. 분자 동역학 시뮬레이션들을 이용하여 연구팀은 내부 튜브가 더 높은 운동 에너지를 가지는 것처럼 내부 튜브의 회전 주파수가 더 낮은 온도와 비교된 300K 온도에서 증가하는 것을 발견하였다. 또한, 외부 튜브의 전체 길이가 고정될 때, 이는 내부 튜브 상의 더 높은 토크를 만들기 때문에 회전 주파수도 증가한다. 최종적으로, 회전 주파수는 내부 튜브 갭이 이 경우 0.335nm에서 두 개의 그래핀 시트들 사이 임계 거리 근처에 있을 때 증가한다. 이 갭이 이 보다 더 작을 때, 내부 마찰이 증가하고 갭이 더 클 때 회전 움직임을 줄이는 튜브들 사이 약한 상호작용이 존재한다. 더 나아가, DWCNT의 일정 온도로 구동되는 회전 모터는 차세대 나노 전자 기계 시스템(nanoelectromechanical systems; NEMS)에서 커다란 응용이 가능할 것이다. 다른 나노모터와 비교하여, 전자 모터들, 유체 기체 구동 모터들, 열적 DWCNT 모터들은 작동하기가 더 간단하고, 더 작고, 더 쉽다. 특히, 내부 튜브의 회전 주파수는 넓다. 이는 스위치, 메모리와 같은 전자기 나노 소자들에서 메시지 전송을 위해 사용될 수 있을 것이다. 연구팀은 나아가 모터의 더 나은 개선을 위한 연구를 계획하고 있다. 견고한 DWCNT 모터가 디자인되어야 한다. 예를 들어, 나노 구조는 안정되어야만 하고, 회전 상태는 정확성과 국부 전자기장의 측정으로 조절될 수 있어야만 한다. 그림 1: 내부 튜브 (청색)와 외부 튜브 (오렌지색)의 파라미터들이 보이는 시뮬레이션들에서 이용된 5개의 DWCNT 모델들 그림 2: 3000번째와 3001번째 피코세컨드에서의 시뮬레이션을 보여주는 회전 내부 튜브를 가지는 DWCNT. 참고 자료: K. Cai, et al. "Gradientless temperature-driven rotating motor from a double-walled carbon nanotube." Nanotechnology. DOI: 10.1088/0957-4484/25/50/505701 dwcntrotatin.jpg 1-dwcntrotatin.jpg http://m.phys.org/news/2014-12-rotating-nanotube-motors-glimpse-future.html