Kontrolleret sammenkrølning af grafen danner kunstige muskler

Duke Universitys ingeniører lægger lag på atomtykke kulstofgitter med polymerer for at skabe unikke materialer med en bred vifte af anvendelser, herunder kunstige muskler.

Gitteret, kendt som grafen, er lavet af rent kulstof og fremstår under forstørrelse som hønsenet. På grund af sin unikke optik, elektriske og mekaniske egenskaber, grafen bruges i elektronik, energilagring, kompositmaterialer og biomedicin.

Imidlertid, grafen er ekstremt svært at håndtere, da det let "krøller". Desværre, videnskabsmænd har ikke været i stand til at kontrollere sammenkrølningen og udfoldelsen af ​​grafen med stort areal for at drage fordel af dets egenskaber.

Duke ingeniør Xuanhe Zhao, assisterende professor ved Duke's Pratt School of Engineering, sammenligner udfordringen med at kontrollere grafen med forskellen mellem udfoldende papir og vådt væv.

"Hvis du krøllede almindeligt papir sammen, du kan ret nemt flade det ud, " sagde Zhao. "Men grafen er mere som vådt silkepapir. Den er ekstrem tynd og klistret og svær at folde ud, når den først er krøllet. Vi har udviklet en metode til at løse dette problem og kontrollere sammenkrølningen og udfoldningen af ​​store grafenfilm."

Duke-ingeniørerne fastgjorde grafenen til en gummifilm, der var blevet forstrakt til mange gange dens oprindelige størrelse. Når gummifilmen var afslappet, dele af grafenen løsnede sig fra gummiet, mens andre dele blev ved med at klæbe til det, danner et vedhæftet løsrevet mønster med en egenskabsstørrelse på nogle få nanometer. Mens gummiet slappede af, den løsrevne grafen blev komprimeret til at krølle. Men da gummifilmen blev strakt tilbage, de vedhæftede pletter af grafen trak på de krøllede områder for at folde arket ud.

"På denne måde sammenkrølning og udfoldelse af store områder, atomtykt grafen kan styres ved blot at strække og afspænde en gummifilm, selv med hænderne, " sagde Zhao.

Resultaterne blev offentliggjort online i tidsskriftet Naturmaterialer .

"Vores tilgang har åbnet muligheder for at udnytte hidtil usete egenskaber og funktioner af grafen, " sagde Jianfeng Zang, en postdoktor i Zhaos gruppe og den første forfatter til papiret. "For eksempel, vi kan justere grafenen fra at være gennemsigtig til uigennemsigtig ved at krølle den, og tune den tilbage ved at folde den ud."

Ud over, Duke-ingeniørerne lagde grafenen med forskellige polymerfilm for at lave et "blødt" materiale, der kan fungere som muskelvæv ved at trække sig sammen og udvide sig efter behov. Når elektricitet påføres grafen, den kunstige muskel udvider sig i området; når strømmen er afbrudt, det slapper af. Variering af spændingen styrer graden af ​​sammentrækning og afspænding.

"Krumning og udfoldning af grafen tillader stor deformation af den kunstige muskel, " sagde Zang.

"Nye kunstige muskler muliggør forskellige teknologier lige fra robotteknologi og medicinlevering til energihøst og -lagring, " sagde Zhao. "Isærligt, de lover i høj grad at forbedre livskvaliteten for millioner af handicappede mennesker ved at levere enheder til en overkommelig pris som f.eks. letvægtsproteser og helsides brailleskærme."