Kulstof nanorør muskler genererer kæmpe twist til nye motorer

Nye kunstige muskler, der snor sig som stammen af ​​en elefant, men giver tusind gange højere rotation pr. længde, blev annonceret den 13. oktober til offentliggørelse i Videnskab magasin af et team af forskere fra The University of Texas i Dallas, University of Wollongong i Australien, University of British Columbia i Canada, og Hanyang University i Korea.

Disse muskler, baseret på carbon nanorør garn, accelerere en 2000 gange tungere padle op til 590 omdrejninger i minuttet på 1,2 sekunder, og vend derefter denne rotation, når den påførte spænding ændres. Den påviste rotation på 250 per millimeter muskellængde er over tusind gange større end tidligere kunstige muskler, som er baseret på ferroelektriske formhukommelseslegeringer, eller ledende organiske polymerer. Udgangseffekten pr. Garnvægt er sammenlignelig med den for store elektriske motorer, og den vægtnormaliserede ydeevne af disse konventionelle elektriske motorer forringes alvorligt, når de reduceres til millimeterskala.

Disse muskler udnytter stærke, hård, yderst fleksible garner af carbon nanorør, som består af nanoskala cylindre af kulstof, der er ti tusind gange mindre i diameter end et menneskehår. Vigtigt for succes, disse nanorør er spundet til spiralformede garner, hvilket betyder, at de har venstre- og højrehåndede versioner (som vores hænder), afhængigt af rotationsretningen under snoning af nanorørene for at lave garn. Rotation er torsionel, hvilket betyder, at drejning sker i én retning, indtil en begrænsende rotation resulterer, og så kan rotationen vendes ved at ændre den påførte spænding. Venstre og højre håndgarn roterer i modsatte retninger, når de er elektrisk ladet, men i begge tilfælde er virkningen af ​​opladning delvist at sno garnet.

I modsætning til konventionelle motorer, hvis kompleksitet gør dem svære at miniaturisere, torsionskulstof nanorørsmusklerne er enkle at konstruere billigt i enten meget lange eller millimeter længder. Nanorørs torsionsmotorer består af en garnelektrode og en modelektrode, som er nedsænket i en ionisk ledende væske. Et lavspændingsbatteri kan tjene som strømkilde, hvilket gør det muligt for elektrokemisk ladning og afladning af garnet at give torsionsrotation i modsatte retninger. I det simpleste tilfælde, forskerne sætter en pagaj til nanorørsgarnet, som gør det muligt for vridningsrotation at udføre nyttigt arbejde-som blanding af væsker på "mikrofluidiske chips", der bruges til kemisk analyse og registrering.

Mekanismen for vridningsrotation er bemærkelsesværdig. Opladning af nanorørsgarn er som at oplade en superkondensator - ioner migrerer ind i garnene for at elektrostatisk afbalancere den elektroniske ladning, der elektrisk sprøjtes ind i nanorørene. Selvom garnene er porøse, denne tilstrømning af ioner får garnet til at øge volumen, krympe i længden med op til en procent, og drejer vridbart. Denne overraskende krympning i garnlængden, når dets volumen øges, forklares af garnets spiralformede struktur, som i struktur ligner fingermanchetlegetøj, der fanger et barns fingre, når de er aflange, men frigør dem, når de forkortes.

Naturen har brugt torsionsrotation baseret på spiralviklede muskler i hundreder af millioner af år, og udnytter denne handling til sådanne opgaver som at vride snablerne på elefanter og blækspruttelemmer. I disse naturlige vedhæng, spiralviklede muskelfibre forårsager rotation ved at trække sig sammen mod en i det væsentlige inkompressibel, knoglefri kerne. På den anden side, de spiralformet sårede carbon -nanorør i nanorørgarnene ændrer sig lidt i længden, men får i stedet volumen af ​​flydende elektrolyt i det porøse garn til at stige under elektrokemisk opladning, så der opstår torsionsrotation.

Kombinationen af ​​mekanisk enkelhed, kæmpe torsionsrotationer, høje rotationshastigheder, og garnediametre i mikronstørrelse er attraktive til applikationer, såsom mikrofluidpumper, ventildrev, og blandere. I en væskeblander demonstreret af forskerne, et garn med en diameter på 15 mikron roterede en 200 gange større radius og 80 gange tungere skovl i flydende væsker med op til en omdrejning i sekundet.

"Opdagelsen, karakterisering, og forståelse for disse højtydende torsionsmotorer viser styrken af ​​internationale samarbejder", sagde Ray H. Baughman, en tilsvarende forfatter til forfatteren til Science-artiklen og Robert A. Welch professor i kemi og direktør for The University of Texas ved Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "Forskere fra fire universiteter på tre forskellige kontinenter, der blev født i otte forskellige lande, ydede kritisk vigtige bidrag."