Nanoteknologisk forskning fører til superelastiske ledende fibre

Et internationalt forskerhold baseret på University of Texas i Dallas har lavet elektrisk ledende fibre, der kan strækkes reversibelt til over 14 gange deres oprindelige længde, og hvis elektriske ledningsevne stiger 200 gange, når de strækkes.

Forskergruppen bruger de nye fibre til at lave kunstige muskler, samt kondensatorer, hvis energilagringskapacitet øges cirka ti gange, når fibrene strækkes. Fibre og kabler afledt af opfindelsen kan en dag bruges som sammenkoblinger til superelastiske elektroniske kredsløb; robotter og eksoskeletter med stor rækkevidde; morphing fly; kæmpe række belastningssensorer; fejlfri pacemakerkabler; og superstrækbare lader til elektroniske enheder.

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet 24. juli Videnskab , forskerne beskriver, hvordan de konstruerede fibrene ved at pakke lettere end luft, elektrisk ledende ark af små carbon nanorør til dannelse af en gelérulle-lignende kappe omkring en lang gummikerne.

De nye fibre adskiller sig fra konventionelle materialer på flere måder. For eksempel, når konventionelle fibre strækkes, den resulterende stigning i længde og fald i tværsnitsareal begrænser elektronstrømmen gennem materialet. Men selv en "kæmpe" strækning af de nye ledende kappe-kernefibre forårsager lille ændring i deres elektriske modstand, sagde Dr. Ray Baughman, seniorforfatter af papiret og direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas.

En nøgle til ydeevnen for de nye ledende elastiske fibre er indførelsen af ​​bukning i carbon nanorørpladerne. Fordi gummikernen strækkes langs sin længde, når arkene vikles rundt om den, når det indpakkede gummi slapper af, carbon nanofibrene danner en kompleks bukket struktur, hvilket muliggør gentagen strækning af fiberen.

"Tænk på spændingen, der opstår, når et harmonika komprimeres, hvilket gør harmonikkens uelastiske materiale strækbart, "sagde Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry ved UT Dallas.

"Vi gør de uelastiske carbon nanorørskeder af vores kappe-kernefibre superstrækbare ved at modulere store spænder med små spænder, så forlængelsen af ​​begge spænder typer kan bidrage til elasticitet. Disse fantastiske fibre opretholder den samme elektriske modstand, selv når den strækkes med kæmpe mængder, fordi elektroner kan rejse over en sådan hierarkisk bukket kappe lige så let, som de kan krydse en lige kappe. "

Dr. Zunfeng Liu, hovedforfatter af undersøgelsen og en forskningsassistent i NanoTech Institute, sagde strukturen af ​​kappe-kernefibrene "har yderligere interessant og vigtig kompleksitet." Spænder dannes ikke kun langs fiberens længde, men også omkring dens omkreds.

"Krympning af fiberens omkreds under fiberstrækning forårsager denne anden type reversibel hierarkisk knækning omkring dens omkreds, selvom knækningen i fiberretningen midlertidigt forsvinder, "Sagde Liu." Denne nye kombination af bukning i to dimensioner undgår forkert justering af nanorør og gummikerne, muliggør, at den elektriske modstand af kappe-kernefiberen er ufølsom over for strækning. "

Ved at tilføje en tynd overtræk af gummi til kappe-kernefibrene og derefter en anden carbon nanorørskede, forskerne lavede belastningssensorer og kunstige muskler, hvori de bukkede nanorørskeder fungerer som elektroder, og det tynde gummilag er et dielektrikum, hvilket resulterer i en fiberkondensator. Disse fiberkondensatorer udviste en kapacitansændring på 860 procent, når fiberen blev strakt 950 procent.

"Ingen i øjeblikket tilgængelig materialebaseret belastningssensor kan operere over næsten lige så stort et spændingsområde, "Sagde Liu.

Tilføjelse af twist til disse fibre med dobbelt kappe resulterede i hurtige, elektrisk drevne - eller roterende - kunstige muskler, der kan bruges til at rotere spejle i optiske kredsløb eller pumpe væsker i miniatureanordninger, der bruges til kemisk analyse, sagde Dr. Carter Haines BS'11, PhD'15, en forskningsassistent i NanoTech Institute og en forfatter til papiret.

I laboratoriet, Nan Jiang, en forskningsassistent i NanoTech Institute, demonstreret, at de ledende elastomerer kan fremstilles i diametre fra de helt små - cirka 150 mikron, eller dobbelt så bred som et menneskehår - til meget større størrelser, afhængigt af størrelsen på gummikernen. "Individuelle små fibre kan også kombineres til store bundter og sammenlægges som garn eller reb, " hun sagde.

"Denne teknologi kunne være velegnet til hurtig kommercialisering, "sagde Dr. Raquel Ovalle-Robles MS'06 PhD'08, en forfatter på papiret og chef for forsknings- og intellektuelle ejendomsstrateger ved Lintec of America's Nano-Science &Technology Center.

"De gummikerner, der bruges til disse kappe-kernefibre, er billige og let tilgængelige, "sagde hun." Den eneste eksotiske komponent er carbon nanorør -aerogelarket, der bruges til fiberkappen. "

Sidste år, UT Dallas licenserede til Lintec of America en proces Baughmans team udviklede til at omdanne kulstofnanorør til store strukturer, såsom ark. Lintec åbnede sit Nano-Science &Technology Center i Richardson, Texas, mindre end 8 miles fra UT Dallas campus, at fremstille carbon nanorør -aerogelplader til forskellige anvendelser.