一种纳米材料弹射加速的方法与流程

本发明涉及一种纳米材料弹射加速的方法，属于纳米加工技术。

背景技术：

随着纳米技术的发展，以及各类的物理、化学方法不断被研发，研究人员获得纳米产品的方法一般是通过试剂反应、材料生长、烧制、气相沉积等方式获得所需要的纳米材料的雏形，再配以超精密的加工手段进行加工来得到的。出于纳米尺度的加工技术要求，开始对纳米尺度的驱动装置产生需求。在纳米尺度下，对于驱动装置的要求和宏观状态下的驱动装置要求不一样，其中最大的区别就是驱动物质的达到高速运动的方式，一般来说宏观驱动装置，例如枪驱动子弹的速度，高速达到300m/s至1000m/s需要借助火药爆炸等，在微观尺度下，则需要更多地考虑一些特殊材料的特殊性质使得纳尺度物质达到高速，这类特殊材料具备能够超过1000m/s的能力，同时待加速物体具有大的速度调节区间。在纳米微孔制造、药物运输、微纳电子领域普遍以待加速物体被高速驱动为主，待加速物体的速度经常需要达到1000m/s或以上。

随着碳纳米管和碳纳米锥的发现以及其研究的深入，其特殊的力学性质和电学性质使得其在纳米电子元器件、纳米机器人、场发射器件等方面的应用越来越多，其中利用碳纳米材料的电学性质和力学性质作为动力驱动装置是引发了较多的关注。存在基于电荷在碳纳米管的不均匀分布的电学特性来驱动纳尺度物质的加速器，例如纳米枪，依靠的是包裹着富勒烯或者小型碳纳米管的外层碳纳米管正电荷分布的不均匀，激发内部的富勒烯或者小的碳纳米管获得高速进行运动的性质，富勒烯或者小型碳纳米管获得的最高速度超过1000m/s，其具体的弹出速度主要依靠碳纳米管电荷分布的密度来定。但是，一般来讲，电荷密度的控制并不那么容易，因此会导致待加速物体弹出的速度较难进行精准控制，此外，对外层碳纳米管输入正电荷的方法也较为复杂。关于碳纳米材料力学性质作为动力驱动装置主要存在于碳纳米管坍缩过程当中，能够依靠范德华力将待加速物体进行加速作用，但是范德华力较难控制，使得该加速装置在速度调节上存在也一定的困难。

技术实现要素：

【技术问题】

现有纳米驱动装置存在待加速物体的弹出速度较难控制且加速器制备方法复杂等问题。

【技术方案】

为了解决上述问题，本发明提供了一种利用开口碳纳米锥的力学性质为纳尺度材料进行弹射加速的方法，通过机械的方式，利用碳纳米锥回复变形时候能够瞬间释放其储存的应变能的特点，实现富勒烯等纳尺度物体进入高速状态的目的，并且可以通过对碳纳米锥压缩量的控制，实现对待加速物体的速度的控制，达到不同环境下的使用要求。

具体的，本发明首先提供了一种纳米材料弹射加速的方法，所述方法为：首先在开口碳纳米锥的上底面上施加垂直向下的压力，使得开口碳纳米锥获得一定的应变能，再将待加速物体放置在开口碳纳米锥上方后，释放开口碳纳米锥上方的压力，开口碳纳米锥储存的应变能作用在待加速物体上，即可实现对纳尺度物质的加速。

在本发明的一种实施方式中，所述开口碳纳米锥即碳纳米圆台(用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分叫做圆台)。

在本发明的一种实施方式中，所述开口碳纳米锥位于基底上，所述基底为石英、硅片等。

在本发明的一种实施方式中，所述待加速物体为富勒烯或闭口碳纳米管。

在本发明的一种实施方式中，所述闭口碳纳米管为两端封口的碳纳米管，其总长度不超过开口碳纳米锥高度的35％。

在本发明的一种实施方式中，所述所需要的应变能的确定方法如下：首先利用分子动力学模拟，得到该开口碳纳米锥在回弹过程中应变能作用于待加速物体时待加速物体动能与应变量之间的关系，其次根据待加速物体所需要达到的速度计算得到所需动能，最后根据待加速物体动能与该开口碳纳米锥的应变量之间的关系，即可推算得到开口碳纳米锥将待加速物体加速至相应速度所需的应变量，此时开口碳纳米锥获得相应的应变量即对应着碳纳米锥加速待加速物体所需要的应变能。

在本发明的一种实施方式中，所述待加速物体位于开口碳纳米锥上方的至处。

在本发明的一种实施方式中，所述待加速物体的尺寸大于开口碳纳米锥的上底面半径的1/2且小于开口碳纳米锥的上底面半径的1.3倍，其中，所述待加速物体的尺寸是指富勒烯的半径或者闭口碳纳米管的直管部分半径。

在本发明的一种实施方式中，所述待加速物体的尺寸优选大于开口碳纳米锥的上底面的半径。

在本发明的一种实施方式中，优选的，所述待加速物体的尺寸与开口碳纳米锥的上底面的半径相差不超过

在本发明的一种实施方式中，所述开口碳纳米锥的母线与下底面的夹角为80.4°、70.55°、60°、48.2°或33.55°，优选为80.4°、70.55°或60°。

本发明的详细原理如下：在使用的前期需要对具体的开口碳纳米锥的压缩过程进行相应的分子动力学模拟，从而获得该开口碳纳米锥在回弹过程中待加速物体动能与开口碳纳米锥应变量之间的关系。当某一待加速物体以及所需要的速度确定时，则根据实际速度的需要计算得到动能，再根据被待加速物体动能与应变量之间的关系图，得到为了获得该动能开口碳纳米锥所需的应变量，即由此判定出合适的压缩量。在纳尺度下，可以忽略粒子的重力影响与范德华力的吸引项的影响，从而使得粒子获得相应的加速度。

本发明取得的优点和效果

1、本发明利用开口碳纳米锥的力学性质来实现纳米粒子的加速，与之前利用碳纳米材料的电学性能来进行加速的研究完全不同，实现了在不利用电能的基础上完成对纳尺度物体的加速作用；与现有技术利用碳纳米材料的电学性能来驱动纳米粒子的方法相比，本发明的方法对碳纳米锥的压缩量的控制与电荷密度的分布控制相比，更加容易控制且更加准确。

2、本发明方法对待加速物体的加速范围较大，通过改变碳纳米锥的压缩量，可以实现纳米粒子从低于100m/s到高于1800m/s的速度变化。

3、本发明方法中，当纳米粒子想要达到的速度符合开口碳纳米锥的线弹性变化时，则更方便确定压缩量，从而更容易实现对速度的控制。

附图说明

图1为实施例1～3的富勒烯的加速流程示意图，其中，1-基底，2-开口碳纳米锥，3-富勒烯。

图2为实施例1～3中待加速物体(富勒烯)的动能与开口碳纳米锥的应变量关系图。

图3为实施例4中的小型闭口碳纳米管的加速流程示意图，其中，1-基底，2-开口碳纳米锥，3-小型闭口碳纳米管。

图4为实施例4中待加速物体(小型闭口碳纳米管)的动能与开口碳纳米锥的应变量关系图。

图5为实施例5中待加速物体(富勒烯)动能与不同的母线和下底面的夹角，上端开口半径为的碳纳米锥的应变量关系图。

具体实施方式

碳纳米锥通过气相沉积法制备获得，其开口方式通过空气氧化法对尖端进行腐蚀。

实施例1

图1所示的开口碳纳米锥2的母线和下底面的夹角为70.55°，高度为上端开口半径为待加速物体为富勒烯C180。对该开口碳纳米锥的压缩过程和回弹富勒烯C180过程进行基于Lammps软件的分子动力学的模拟(Lammps为常用的开源模拟软件，见https://lammps.sandia.gov/)，最终获得富勒烯C180的动能与该开口碳纳米锥的应变量之间的关系，结果如图2所示。

当将富勒烯C180的速度加速到500m/s时，则其动能为3.41eV，速度在开口碳纳米锥的线弹性阶段可实现，具体实施包括三个步骤：

步骤1：首先将母线和下底面的夹角为70.55°，高度为上端开口半径为的碳纳米锥2的下底面固定在基底1石英上，由于富勒烯C180需要被加速至500m/s，则其所需动能为3.41eV，根据图2中富勒烯C180的动能与该开口碳纳米锥的应变量之间的关系图可以确定，此时开口碳纳米锥的应变量为0.015时可以实现此目的，因此对开口碳纳米锥的顶部(上底面)施加外压，将开口碳纳米锥2压缩至应变量为0.015；

步骤2：将富勒烯3(富勒烯C180)放置在被压缩的开口碳纳米锥2的上方，富勒烯C180的最底部与开口碳纳米锥的上底面的距离保持在

步骤3：释放被压缩的开口碳纳米锥2，开口碳纳米锥2瞬间恢复形变，将之前压缩开口碳纳米锥获得的应变能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后进入加速状态，在纳尺度下，忽略粒子的重力影响与范德华力的引力，富勒烯C180进入高速状态，通过分子标记速度测量技术测定，富勒烯C180获得的速度应为500m/s，实现了加速的目的，且较准确地加速至所需速度。

一般的，富勒烯3的半径一般需要大于开口碳纳米锥的上底面半径的1/2且小于开口碳纳米锥的上底面半径的1.3倍，且二者半径相差不能超过若选用的富勒烯3的半径大于开口碳纳米锥2的上底面半径的1.3倍，则容易破坏开口碳纳米锥2的上底面的结构。若是富勒烯3的半径小于碳纳米锥2的顶端开口半径的1/2，则开口碳纳米锥2的应变能则很难准确地作用到富勒烯3上，因而加速富勒烯3的效果差。因为本实施例中对于上底面半径为的开口碳纳米锥，其待加速物体选用半径为的富勒烯C180。

实施例2

当需要将富勒烯C180的速度加速至1400m/s时，由图2可知，在开口碳纳米锥(与实施例1一致)的屈曲阶段可实现此加速过程，具体实施包括三个步骤：

步骤1：需要加速富勒烯C180的速度到1400m/s所需要的动能大约为21.60eV，则根据图2可以确定当开口碳纳米锥的应变量为0.16时对应的转化为的动能约为21.60eV，因此对开口碳纳米锥的顶部施加外压，将开口碳纳米锥2压缩至应变量为0.16；

步骤2：将富勒烯C180放置在被压缩的开口碳纳米锥2的上方，富勒烯C180最底部与开口碳纳米锥的上底面的距离保持在

步骤3：释放被压缩的开口碳纳米锥2，开口碳纳米锥2瞬间恢复形变，将之前压缩开口碳纳米锥获得的应变能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后进入加速状态，在纳尺度下，忽略粒子的重力影响与范德华力的引力，富勒烯3进入高速状态，，通过分子标记速度测量技术测定，富勒烯C180获得的速度应为1400m/s。

实施例3

当将富勒烯C180的速度需要加速到1800m/s时，由图2可知，在开口碳纳米锥(与实施例1一致)压缩至极端附近可以实现，具体实施包括三个步骤：

步骤1：需要加速富勒烯C180的速度到1800m/s所需要的动能大约为36.64eV，则根据图2可以确定其需要开口碳纳米锥的应变量为0.26，因此对开口碳纳米锥的顶部施加外压，将开口碳纳米锥2压缩至应变量0.26；

步骤2：将富勒烯C180放置在被压缩的开口碳纳米锥2的上方，富勒烯C180最底部与开口碳纳米锥的上底面的距离保持在

步骤3：释放被压缩的开口碳纳米锥2，开口碳纳米锥2瞬间恢复形变，将之前压缩开口碳纳米锥获得的应变能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后进入加速状态，在纳尺度下，忽略粒子的重力影响与范德华力的引力，富勒烯C180进入高速状态，通过分子标记速度测量技术测定，C180获得的速度应即为1800m/s。

实施例4

当需要将小型闭口碳纳米管加速至700m/s时，开口碳纳米锥的尺寸和实施例1一致，其中小型闭口碳纳米管的总长为中间直管部分半径为质量为2.7902×10^-24kg。

利用开口碳纳米锥对其进行加速的流程示意图如图3所示。利用Lammps软件对该开口碳纳米锥的压缩过程和回弹小型闭口碳纳米管过程进行分子动力学的模拟，获得小型闭口碳纳米管的动能与该开口碳纳米锥的应变量之间的关系，结果如图4所示。

将小型闭口碳纳米管加速至700m/s的具体实施包括三个步骤：

步骤1：需要加速小型闭口碳纳米管的速度到700m/s所需要的动能大约为4.46eV，则根据待加速物体动能与应变量之间的关系图图4可以确定其需要开口碳纳米锥的应变量为0.03，因此对开口碳纳米锥的顶部施加外压，将开口碳纳米锥2压缩至应变量0.03；

步骤2：将小型闭口碳纳米管放置在被压缩的开口碳纳米锥2的上方，小型闭口碳纳米管最底部与开口碳纳米锥的上底面的距离保持在

步骤3：释放被压缩的开口碳纳米锥2，开口碳纳米锥2瞬间恢复形变，将之前压缩开口碳纳米锥获得的应变能部分有效地作用在小型闭口碳纳米管，小型闭口碳纳米管受力后进入加速状态，在纳尺度下，忽略粒子的重力影响与范德华力的引力，小型闭口碳纳米管进入高速状态，通过分子标记速度测量技术测定，小型碳纳米管3获得的速度应即为700m/s。

与富勒烯类似的，小型闭口碳纳米管的直管部分半径不大于开口碳纳米锥2的上底面半径的1.3倍，同时不小于开口碳纳米锥2的上底面半径的1/2。

实施例5

当开口碳纳米锥的高度为上端开口半径为且母线和下底面的夹角分别为80.4°，70.55°，60°，48.2°，33.55°时，利用其对富勒烯C180进行加速。利用Lammps软件对此五种开口碳纳米锥的压缩过程和回弹富勒烯C180过程进行分子动力学的模拟，获得富勒烯C180的动能与五种开口碳纳米锥的应变量之间的关系，结果如图5所示。

步骤1：五种开口碳纳米锥的下底面分别固定在石英基底上，将80.4°、70.55°、60°、48.2°、33.55°的开口碳纳米锥的应变量约为0.04，对开口碳纳米锥的顶部施加外压；

步骤2：将富勒烯C180分别放置在被压缩的开口碳纳米锥的上方，富勒烯C180最底部与开口碳纳米锥的上底面的距离保持在

步骤3：分别释放母线和下底面的夹角80.4°、70.55°、60°、48.2°、33.55°受压缩的开口碳纳米锥，开口碳纳米锥瞬间恢复形变，将之前压缩开口碳纳米锥获得的应变能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后进入加速状态，在纳尺度下，忽略粒子的重力影响与范德华力的引力，富勒烯C180进入高速状态，通过测定，80.40°、70.55°的开口碳纳米锥使得富勒烯C180获得的速度应为1000m/s左右，60°的开口碳纳米锥使得富勒烯C180获得的速度应为700m/s左右，48.20°的开口碳纳米锥使得富勒烯C180获得的速度应为500m/s左右，33.55°的开口碳纳米锥使得富勒烯C180获得的速度应为350m/s左右。

由上述实例可知，80.4°、70.55°、60°的碳纳米锥加速效果较好，且速度变化范围较大，所以这三个角度可以作为优选角度。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。