Математическое моделирование комбинированных нанодвигателей

• Автор: Шестаков, Игорь Александрович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Ижевск
• Количество страниц: 137 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ

КОМБИНИРОВАННЫХ НАНОДВИГАТЕЛЕЙ.

1.1 Постановка задачи

1.2 Математическая модель динамики

биологического нанодвигателя кинезина

1.3 Математическая модель динамики ротора

1.4 Молекулярнодинамическая модель деформации статора.

1.5 Определение массовогабаритных

и энергетических параметров
Выводы по главе 1
Глава 2. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС i i.
2.1 Блок подготовки данных для расчета массовогабаритных и кинематических параметров
2.2 Вычислительный модуль энергетических параметров
2.3 Вычислительный модуль динамики
комбинированного нанодвигателя.
2.4 Вычислительный модуль перемещений и деформаций,
метод молекулярной динамики к расчету статора
2.5. Анализ устойчивости математической модели.
Выводы по главе 2
Глава 3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ
КОМБИНИРОВАННЫХ НАНО ДВИГАТЕЛЕЙ
3.1 Численные исследования комбинированных нанодвигателей
из материала с кристаллической структурой
3.2 Численные исследования комбинированных нанодвигателей
с деталями из углеродных ианотрубок
3.3 Расчет динамики кинезина.
3.4 Расчет динамики ротора.
3.5 Анализ технических характеристик
комбинированных нанодвигателей.
3.6 Энергетические параметры
нанонасоспой системы с использованием кинезинов
3.7 Численные исследования перемещений и деформаций
статора методом молекулярной динамики
Выводы ио главе 3
Глава 4. РАЗРАБОТКА КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ
КОМБИНИРОВАННЫХ НА НО ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
4.1 Теоретический анализ нанодвигателей
па основе проведенных численных исследований.
4.2 Разработка конструктивных схем комбинированных нанодвигателей
4.2.1 Комбинированные нанодвигатели с использованием кинезинов.
4.2.2 Нанонасосная система с использованием кинезинов.
4.2.3 Комбинированный нанодвигатель
с использованием миозинов биологических мускулов
4.2.4 Конструкция силовой наномашины
4.3 Технология создания комбинированных наподвигатслсй
Выводы по главе 4.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА


M. [], но математических моделей по работе этих наиодвигателей выдвинуто и разработано мало, а эмпирический подход имеет ряд недостатков, включающих дорогостоящие эксперименты по созданию синтетических наиодвигателей с требуемыми параметрами по мощности, расходу топлива или электрической энергии. Математические модели биологических систем в настоящее время активно разрабатываются Dennis J. Howard J. Vogel V. Математическое моделирование нано двигателей и исследование их свойств проводили Псахье С. Г., Зольников K. I. и Коноваленко И. С. [], однако моделирование комбинированных наиодвигателей в целом до настоящей работы не проводилось. Таким образом, для рационального проектирования и изготовления новых конструкций, удовлетворяющих заданным параметрам движения и нагрузки, необходимо математическое моделирование комбинированных наиодвигателей. Актуальная проблема современных нанотехнологий в медицине -создание микромашины, способной перемещаться по венам живого организма и доставлять лекарственные препараты непосредственно к пораженным участкам, не оказывая побочного действия на весь организм. Здесь необходимо создание управляемого или рефлекторного нанодвигателя. Для проектирования такой сложной микромашины необходима достаточно точная математическая модель взаимодействия комбинированного нанодвигателя и системы подачи лекарства. Проведем классификацию нанодвигателей: выделим биологические, синтетические и комбинированные нанодвигатели (Рис. Рис. Согласно классификации (Рис. Биологические нанодвигатели существуют в живой природе - в клетках живых организмов. Они участвуют в обмене веществ, в сокращении мышц и других процессах. Кинезин. Кинезин - линейный биологический нанодвигатель длиной нм []. Система кинезин-микротрубочка в клетках живых организмов совершает обмен веществ. Он состоит из глобулярных головок, тела и хвоста (рис. С одной стороны кинезин глобулярными головками фиксируется и шагает по микротрубочке, а с другой - хвостом закрепляет на себе вещества, которые необходимо транспортировать вдоль микротрубочки. Усилие, развиваемое кинезином - 6 пН, число шагов в секунду - до 0, длина шага - 8 нм, КПД - %. Рис. В институте им. Макса Планка ученые осуществили работ}' кинезипа вне клетки [, ] - закрепили на плоскости кинезины, опустили микротрубочки и добавили АТФ, при этом кинезины стали линейно перемещать микротрубочки. Этот факт доказывает возможность работы кинезипа вне живой клетки. Молекула ЛТФ (рис. СюН^ИзО^Рз и* Ы —* С,0НЫ5ОР2 Н2РО4 ^ кДж/моль. Эмпирическая формула АТФ: СюН^зО^Рз, молекулярная масса 7, г/моль. II О — Г* ~ О — Г *W о Г I» цн? Рис. Синтетические нанодвигатели создаются искусственными методами. В настоящее время конструирование синтетических нанодвигателей носит экспериментальный характер - это связано с поиском оптимальной конструкции, которую можно в дальнейшем успешно интегрировать в наномашины и микромашины, выпускаемые серийно. Микро- и наноактюаторы. Рассмотрим электростатический привод, образованный двумя параллельными платинами площадью А с расстоянием между ними go []. Таким образом, сила Р является нелинейной функцией потенциала и расстояния между пластинами. Для того, что бы такая система выступала в качестве привода, одна или обе пластины должны быть подвижными и крепиться к упругому компенсатору. Вязкая жидкость может быть использована в качестве компенсатора. Наноэлектромеханический осциллятор релаксации. Этот нанодвигатель состоит из трех элементов: две капли жидкого индия диаметром и нм и углеродные нанотрубки в качестве подложки []. При подаче постоянного напряжения на углеродные нанотрубки, происходит перенос атомов из большой капли в малую, при этом радиус малой капли увеличивается быстрее, чем уменьшается радиус большой капли. В момент соприкосновения появляется гидродинамический канал, и силы поверхностного натяжения заставляют атомы малой капли перетекать обратно в большую каплю. Нанодвигатель с фотонным питанием. Ротаксан системы доминировали в области создания искусственных молекулярных машин поступательного движения [7, 2]. Такие системы содержат кольцевой элемент, совершающий возвратно-поступательные движения вдоль стержневого элемента с двумя станциями [, , , , ].