Несложное устройство, умеющее поддерживать процессы внутреннего сгорания там, где это ранее не удавалось, способно придать импульс развитию микророботов всех мастей.

Двигатели внешнего и внутреннего сгорания, по сути, сделали человеческую цивилизацию. Однако у них есть границы применимости:

скорость потери тепла пропорциональна соотношению объёма и поверхности, и при уменьшении габаритов объём падает пропорционально кубу линейных размеров, а площадь — квадрату. Итоги очевидны: мышь с огромным трудом сохраняет тепло, в то время как слон с огромным трудом охлаждает себя, «культивируя» уши титанических размеров.

Рис. 1. а — кремниевая подложка, на которой собиралось устройство. b — микрокамера устройства до наполнения водой. c — общее устройство микросхемы с микроактуатором. d — конечный вид микросхемы, в центре которой находится устройство. (Здесь и ниже илл. V.B. Svetovoy et al.)

Ну а микроДВС должны применяться там, где мышь показалась бы гигантом. А значит, они теряют тепло с такой скоростью, что их КПД падает намного ниже уровня первых паровозов, причём ещё до достижения ими субмиллиметровых размеров. Что делать? Есть варианты: классические двигатели можно заменить актуаторами, действующими на базе тепловых воздействий (нагрев — движение) и электростатических сил. Увы, первые медленны, вторые очень слабы.

Виталий Световой его коллеги из Университета Твенте (Нидерланды) предложили совершенно новый метод обеспечения работы актуаторов в микромасштабах — одновременно мощный и быстрый.

Недостаток у него пока один: разработчики не вполне уверены, как их детище работает.

По сути, они создали двигатель, очень похожий на классический ДВС: крохотная камера наполнена водой, в ней есть пара электродов, по которым идёт ток. При включении тока вода в камере разлагается на водород и кислород, образующие нанопузырьки.

Как только начинается формирование пузырьков, объём продуктов разложения воды взрывообразно увеличивается, и неким не до конца ясным образом начинается процесс сгорания кислород-водородной смеси в пределах таких нанопузырьков, причём без катастрофически быстрой потери тепла.

Сгорание и расширение газов заставляет мембрану на одном из концов камеры деформироваться, что и создаёт силу, которую можно использовать для приведения в движение актуаторов.

Общий размер крохотного устройства, использованного в эксперименте, впечатляет: при длине и ширине в 100 мкм его толщина равна всего 5 мкм.

Когда ток отключают, давление в камере резко падает. По идее, оно падает даже слишком стремительно: исследователи откровенно признают, что «остановка» происходит быстрее, чем позволяют расчёты.

Рис. 2. a, b и c соответствуют t (времени после начала цикла ), равном 0,0, 0,2 и 2 мс; d, e и f — t = 0,0, 0,8 и 1,6 мс. Образование нанопузырьков различимо с трудом.

Однако группа г-на Светового всё же считает, что понимает, в чём здесь дело. Мысль учёных сводится к тому, что, когда ток выключается, водород и кислород в нанопузырьках реагируют между собой, превращаясь обратно в воду, то есть из газообразного состояния переходят в занимающую куда меньший объём жидкость, что и приводит к исключительно резкому падению давления.

Несмотря на то что ток к такому микродвигателю надо подавать со слегка экзотической частотой 50 кГц, перед нами, определённо, весьма многообещающая разработка. Мембрана на одном из концов камеры деформируется очень быстро, что можно использовать для приведения в движение целого ряда микророботов. А отсюда и весьма широкий список потенциальных практических приложений в целом ряде областей, от научных исследований до медицины и, быть может, даже военных микродронов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Scientific Reports, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.