本發(fā)明涉及一種納米材料彈射加速的方法，屬于納米加工技術(shù)。

背景技術(shù)：

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，以及各類的物理、化學(xué)方法不斷被研發(fā)，研究人員獲得納米產(chǎn)品的方法一般是通過試劑反應(yīng)、材料生長(zhǎng)、燒制、氣相沉積等方式獲得所需要的納米材料的雛形，再配以超精密的加工手段進(jìn)行加工來(lái)得到的。出于納米尺度的加工技術(shù)要求，開始對(duì)納米尺度的驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生需求。在納米尺度下，對(duì)于驅(qū)動(dòng)裝置的要求和宏觀狀態(tài)下的驅(qū)動(dòng)裝置要求不一樣，其中最大的區(qū)別就是驅(qū)動(dòng)物質(zhì)的達(dá)到高速運(yùn)動(dòng)的方式，一般來(lái)說宏觀驅(qū)動(dòng)裝置，例如槍驅(qū)動(dòng)子彈的速度，高速達(dá)到300m/s至1000m/s需要借助火藥爆炸等，在微觀尺度下，則需要更多地考慮一些特殊材料的特殊性質(zhì)使得納尺度物質(zhì)達(dá)到高速，這類特殊材料具備能夠超過1000m/s的能力，同時(shí)待加速物體具有大的速度調(diào)節(jié)區(qū)間。在納米微孔制造、藥物運(yùn)輸、微納電子領(lǐng)域普遍以待加速物體被高速驅(qū)動(dòng)為主，待加速物體的速度經(jīng)常需要達(dá)到1000m/s或以上。

隨著碳納米管和碳納米錐的發(fā)現(xiàn)以及其研究的深入，其特殊的力學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)使得其在納米電子元器件、納米機(jī)器人、場(chǎng)發(fā)射器件等方面的應(yīng)用越來(lái)越多，其中利用碳納米材料的電學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置是引發(fā)了較多的關(guān)注。存在基于電荷在碳納米管的不均勻分布的電學(xué)特性來(lái)驅(qū)動(dòng)納尺度物質(zhì)的加速器，例如納米槍，依靠的是包裹著富勒烯或者小型碳納米管的外層碳納米管正電荷分布的不均勻，激發(fā)內(nèi)部的富勒烯或者小的碳納米管獲得高速進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)，富勒烯或者小型碳納米管獲得的最高速度超過1000m/s，其具體的彈出速度主要依靠碳納米管電荷分布的密度來(lái)定。但是，一般來(lái)講，電荷密度的控制并不那么容易，因此會(huì)導(dǎo)致待加速物體彈出的速度較難進(jìn)行精準(zhǔn)控制，此外，對(duì)外層碳納米管輸入正電荷的方法也較為復(fù)雜。關(guān)于碳納米材料力學(xué)性質(zhì)作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置主要存在于碳納米管坍縮過程當(dāng)中，能夠依靠范德華力將待加速物體進(jìn)行加速作用，但是范德華力較難控制，使得該加速裝置在速度調(diào)節(jié)上存在也一定的困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

【技術(shù)問題】

現(xiàn)有納米驅(qū)動(dòng)裝置存在待加速物體的彈出速度較難控制且加速器制備方法復(fù)雜等問題。

【技術(shù)方案】

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種利用開口碳納米錐的力學(xué)性質(zhì)為納尺度材料進(jìn)行彈射加速的方法，通過機(jī)械的方式，利用碳納米錐回復(fù)變形時(shí)候能夠瞬間釋放其儲(chǔ)存的應(yīng)變能的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)富勒烯等納尺度物體進(jìn)入高速狀態(tài)的目的，并且可以通過對(duì)碳納米錐壓縮量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)待加速物體的速度的控制，達(dá)到不同環(huán)境下的使用要求。

具體的，本發(fā)明首先提供了一種納米材料彈射加速的方法，所述方法為：首先在開口碳納米錐的上底面上施加垂直向下的壓力，使得開口碳納米錐獲得一定的應(yīng)變能，再將待加速物體放置在開口碳納米錐上方后，釋放開口碳納米錐上方的壓力，開口碳納米錐儲(chǔ)存的應(yīng)變能作用在待加速物體上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)納尺度物質(zhì)的加速。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述開口碳納米錐即碳納米圓臺(tái)(用一個(gè)平行于圓錐底面的平面去截圓錐，底面與截面之間的部分叫做圓臺(tái))。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述開口碳納米錐位于基底上，所述基底為石英、硅片等。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述待加速物體為富勒烯或閉口碳納米管。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述閉口碳納米管為兩端封口的碳納米管，其總長(zhǎng)度不超過開口碳納米錐高度的35％。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述所需要的應(yīng)變能的確定方法如下：首先利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，得到該開口碳納米錐在回彈過程中應(yīng)變能作用于待加速物體時(shí)待加速物體動(dòng)能與應(yīng)變量之間的關(guān)系，其次根據(jù)待加速物體所需要達(dá)到的速度計(jì)算得到所需動(dòng)能，最后根據(jù)待加速物體動(dòng)能與該開口碳納米錐的應(yīng)變量之間的關(guān)系，即可推算得到開口碳納米錐將待加速物體加速至相應(yīng)速度所需的應(yīng)變量，此時(shí)開口碳納米錐獲得相應(yīng)的應(yīng)變量即對(duì)應(yīng)著碳納米錐加速待加速物體所需要的應(yīng)變能。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述待加速物體位于開口碳納米錐上方的至處。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述待加速物體的尺寸大于開口碳納米錐的上底面半徑的1/2且小于開口碳納米錐的上底面半徑的1.3倍，其中，所述待加速物體的尺寸是指富勒烯的半徑或者閉口碳納米管的直管部分半徑。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述待加速物體的尺寸優(yōu)選大于開口碳納米錐的上底面的半徑。

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，優(yōu)選的，所述待加速物體的尺寸與開口碳納米錐的上底面的半徑相差不超過

在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述開口碳納米錐的母線與下底面的夾角為80.4°、70.55°、60°、48.2°或33.55°，優(yōu)選為80.4°、70.55°或60°。

本發(fā)明的詳細(xì)原理如下：在使用的前期需要對(duì)具體的開口碳納米錐的壓縮過程進(jìn)行相應(yīng)的分子動(dòng)力學(xué)模擬，從而獲得該開口碳納米錐在回彈過程中待加速物體動(dòng)能與開口碳納米錐應(yīng)變量之間的關(guān)系。當(dāng)某一待加速物體以及所需要的速度確定時(shí)，則根據(jù)實(shí)際速度的需要計(jì)算得到動(dòng)能，再根據(jù)被待加速物體動(dòng)能與應(yīng)變量之間的關(guān)系圖，得到為了獲得該動(dòng)能開口碳納米錐所需的應(yīng)變量，即由此判定出合適的壓縮量。在納尺度下，可以忽略粒子的重力影響與范德華力的吸引項(xiàng)的影響，從而使得粒子獲得相應(yīng)的加速度。

本發(fā)明取得的優(yōu)點(diǎn)和效果

1、本發(fā)明利用開口碳納米錐的力學(xué)性質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)納米粒子的加速，與之前利用碳納米材料的電學(xué)性能來(lái)進(jìn)行加速的研究完全不同，實(shí)現(xiàn)了在不利用電能的基礎(chǔ)上完成對(duì)納尺度物體的加速作用；與現(xiàn)有技術(shù)利用碳納米材料的電學(xué)性能來(lái)驅(qū)動(dòng)納米粒子的方法相比，本發(fā)明的方法對(duì)碳納米錐的壓縮量的控制與電荷密度的分布控制相比，更加容易控制且更加準(zhǔn)確。

2、本發(fā)明方法對(duì)待加速物體的加速范圍較大，通過改變碳納米錐的壓縮量，可以實(shí)現(xiàn)納米粒子從低于100m/s到高于1800m/s的速度變化。

3、本發(fā)明方法中，當(dāng)納米粒子想要達(dá)到的速度符合開口碳納米錐的線彈性變化時(shí)，則更方便確定壓縮量，從而更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1～3的富勒烯的加速流程示意圖，其中，1-基底，2-開口碳納米錐，3-富勒烯。

圖2為實(shí)施例1～3中待加速物體(富勒烯)的動(dòng)能與開口碳納米錐的應(yīng)變量關(guān)系圖。

圖3為實(shí)施例4中的小型閉口碳納米管的加速流程示意圖，其中，1-基底，2-開口碳納米錐，3-小型閉口碳納米管。

圖4為實(shí)施例4中待加速物體(小型閉口碳納米管)的動(dòng)能與開口碳納米錐的應(yīng)變量關(guān)系圖。

圖5為實(shí)施例5中待加速物體(富勒烯)動(dòng)能與不同的母線和下底面的夾角，上端開口半徑為的碳納米錐的應(yīng)變量關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

碳納米錐通過氣相沉積法制備獲得，其開口方式通過空氣氧化法對(duì)尖端進(jìn)行腐蝕。

實(shí)施例1

圖1所示的開口碳納米錐2的母線和下底面的夾角為70.55°，高度為上端開口半徑為待加速物體為富勒烯C180。對(duì)該開口碳納米錐的壓縮過程和回彈富勒烯C180過程進(jìn)行基于Lammps軟件的分子動(dòng)力學(xué)的模擬(Lammps為常用的開源模擬軟件，見https://lammps.sandia.gov/)，最終獲得富勒烯C180的動(dòng)能與該開口碳納米錐的應(yīng)變量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)將富勒烯C180的速度加速到500m/s時(shí)，則其動(dòng)能為3.41eV，速度在開口碳納米錐的線彈性階段可實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施包括三個(gè)步驟：

步驟1：首先將母線和下底面的夾角為70.55°，高度為上端開口半徑為的碳納米錐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，則其所需動(dòng)能為3.41eV，根據(jù)圖2中富勒烯C180的動(dòng)能與該開口碳納米錐的應(yīng)變量之間的關(guān)系圖可以確定，此時(shí)開口碳納米錐的應(yīng)變量為0.015時(shí)可以實(shí)現(xiàn)此目的，因此對(duì)開口碳納米錐的頂部(上底面)施加外壓，將開口碳納米錐2壓縮至應(yīng)變量為0.015；

步驟2：將富勒烯3(富勒烯C180)放置在被壓縮的開口碳納米錐2的上方，富勒烯C180的最底部與開口碳納米錐的上底面的距離保持在

步驟3：釋放被壓縮的開口碳納米錐2，開口碳納米錐2瞬間恢復(fù)形變，將之前壓縮開口碳納米錐獲得的應(yīng)變能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后進(jìn)入加速狀態(tài)，在納尺度下，忽略粒子的重力影響與范德華力的引力，富勒烯C180進(jìn)入高速狀態(tài)，通過分子標(biāo)記速度測(cè)量技術(shù)測(cè)定，富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為500m/s，實(shí)現(xiàn)了加速的目的，且較準(zhǔn)確地加速至所需速度。

一般的，富勒烯3的半徑一般需要大于開口碳納米錐的上底面半徑的1/2且小于開口碳納米錐的上底面半徑的1.3倍，且二者半徑相差不能超過若選用的富勒烯3的半徑大于開口碳納米錐2的上底面半徑的1.3倍，則容易破壞開口碳納米錐2的上底面的結(jié)構(gòu)。若是富勒烯3的半徑小于碳納米錐2的頂端開口半徑的1/2，則開口碳納米錐2的應(yīng)變能則很難準(zhǔn)確地作用到富勒烯3上，因而加速富勒烯3的效果差。因?yàn)楸緦?shí)施例中對(duì)于上底面半徑為的開口碳納米錐，其待加速物體選用半徑為的富勒烯C180。

實(shí)施例2

當(dāng)需要將富勒烯C180的速度加速至1400m/s時(shí)，由圖2可知，在開口碳納米錐(與實(shí)施例1一致)的屈曲階段可實(shí)現(xiàn)此加速過程，具體實(shí)施包括三個(gè)步驟：

步驟1：需要加速富勒烯C180的速度到1400m/s所需要的動(dòng)能大約為21.60eV，則根據(jù)圖2可以確定當(dāng)開口碳納米錐的應(yīng)變量為0.16時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化為的動(dòng)能約為21.60eV，因此對(duì)開口碳納米錐的頂部施加外壓，將開口碳納米錐2壓縮至應(yīng)變量為0.16；

步驟2：將富勒烯C180放置在被壓縮的開口碳納米錐2的上方，富勒烯C180最底部與開口碳納米錐的上底面的距離保持在

步驟3：釋放被壓縮的開口碳納米錐2，開口碳納米錐2瞬間恢復(fù)形變，將之前壓縮開口碳納米錐獲得的應(yīng)變能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后進(jìn)入加速狀態(tài)，在納尺度下，忽略粒子的重力影響與范德華力的引力，富勒烯3進(jìn)入高速狀態(tài)，，通過分子標(biāo)記速度測(cè)量技術(shù)測(cè)定，富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為1400m/s。

實(shí)施例3

當(dāng)將富勒烯C180的速度需要加速到1800m/s時(shí)，由圖2可知，在開口碳納米錐(與實(shí)施例1一致)壓縮至極端附近可以實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)施包括三個(gè)步驟：

步驟1：需要加速富勒烯C180的速度到1800m/s所需要的動(dòng)能大約為36.64eV，則根據(jù)圖2可以確定其需要開口碳納米錐的應(yīng)變量為0.26，因此對(duì)開口碳納米錐的頂部施加外壓，將開口碳納米錐2壓縮至應(yīng)變量0.26；

步驟2：將富勒烯C180放置在被壓縮的開口碳納米錐2的上方，富勒烯C180最底部與開口碳納米錐的上底面的距離保持在

步驟3：釋放被壓縮的開口碳納米錐2，開口碳納米錐2瞬間恢復(fù)形變，將之前壓縮開口碳納米錐獲得的應(yīng)變能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后進(jìn)入加速狀態(tài)，在納尺度下，忽略粒子的重力影響與范德華力的引力，富勒烯C180進(jìn)入高速狀態(tài)，通過分子標(biāo)記速度測(cè)量技術(shù)測(cè)定，C180獲得的速度應(yīng)即為1800m/s。

實(shí)施例4

當(dāng)需要將小型閉口碳納米管加速至700m/s時(shí)，開口碳納米錐的尺寸和實(shí)施例1一致，其中小型閉口碳納米管的總長(zhǎng)為中間直管部分半徑為質(zhì)量為2.7902×10^-24kg。

利用開口碳納米錐對(duì)其進(jìn)行加速的流程示意圖如圖3所示。利用Lammps軟件對(duì)該開口碳納米錐的壓縮過程和回彈小型閉口碳納米管過程進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)的模擬，獲得小型閉口碳納米管的動(dòng)能與該開口碳納米錐的應(yīng)變量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。

將小型閉口碳納米管加速至700m/s的具體實(shí)施包括三個(gè)步驟：

步驟1：需要加速小型閉口碳納米管的速度到700m/s所需要的動(dòng)能大約為4.46eV，則根據(jù)待加速物體動(dòng)能與應(yīng)變量之間的關(guān)系圖圖4可以確定其需要開口碳納米錐的應(yīng)變量為0.03，因此對(duì)開口碳納米錐的頂部施加外壓，將開口碳納米錐2壓縮至應(yīng)變量0.03；

步驟2：將小型閉口碳納米管放置在被壓縮的開口碳納米錐2的上方，小型閉口碳納米管最底部與開口碳納米錐的上底面的距離保持在

步驟3：釋放被壓縮的開口碳納米錐2，開口碳納米錐2瞬間恢復(fù)形變，將之前壓縮開口碳納米錐獲得的應(yīng)變能部分有效地作用在小型閉口碳納米管，小型閉口碳納米管受力后進(jìn)入加速狀態(tài)，在納尺度下，忽略粒子的重力影響與范德華力的引力，小型閉口碳納米管進(jìn)入高速狀態(tài)，通過分子標(biāo)記速度測(cè)量技術(shù)測(cè)定，小型碳納米管3獲得的速度應(yīng)即為700m/s。

與富勒烯類似的，小型閉口碳納米管的直管部分半徑不大于開口碳納米錐2的上底面半徑的1.3倍，同時(shí)不小于開口碳納米錐2的上底面半徑的1/2。

實(shí)施例5

當(dāng)開口碳納米錐的高度為上端開口半徑為且母線和下底面的夾角分別為80.4°，70.55°，60°，48.2°，33.55°時(shí)，利用其對(duì)富勒烯C180進(jìn)行加速。利用Lammps軟件對(duì)此五種開口碳納米錐的壓縮過程和回彈富勒烯C180過程進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)的模擬，獲得富勒烯C180的動(dòng)能與五種開口碳納米錐的應(yīng)變量之間的關(guān)系，結(jié)果如圖5所示。

步驟1：五種開口碳納米錐的下底面分別固定在石英基底上，將80.4°、70.55°、60°、48.2°、33.55°的開口碳納米錐的應(yīng)變量約為0.04，對(duì)開口碳納米錐的頂部施加外壓；

步驟2：將富勒烯C180分別放置在被壓縮的開口碳納米錐的上方，富勒烯C180最底部與開口碳納米錐的上底面的距離保持在

步驟3：分別釋放母線和下底面的夾角80.4°、70.55°、60°、48.2°、33.55°受壓縮的開口碳納米錐，開口碳納米錐瞬間恢復(fù)形變，將之前壓縮開口碳納米錐獲得的應(yīng)變能部分有效地作用在富勒烯C180，富勒烯C180受力后進(jìn)入加速狀態(tài)，在納尺度下，忽略粒子的重力影響與范德華力的引力，富勒烯C180進(jìn)入高速狀態(tài)，通過測(cè)定，80.40°、70.55°的開口碳納米錐使得富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為1000m/s左右，60°的開口碳納米錐使得富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為700m/s左右，48.20°的開口碳納米錐使得富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為500m/s左右，33.55°的開口碳納米錐使得富勒烯C180獲得的速度應(yīng)為350m/s左右。

由上述實(shí)例可知，80.4°、70.55°、60°的碳納米錐加速效果較好，且速度變化范圍較大，所以這三個(gè)角度可以作為優(yōu)選角度。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，但其并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉此技術(shù)的人，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可做各種的改動(dòng)與修飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所界定的為準(zhǔn)。