Forskere skaber kraftfulde unipolære carbon nanorør muskler

I mere end 15 år, forskere ved University of Texas i Dallas og deres samarbejdspartnere i USA, Australien, Sydkorea og Kina har fremstillet kunstige muskler ved at sno og rulle carbon nanorør eller polymergarn. Når den er termisk drevet, disse muskler aktiveres ved at trække deres længde sammen, når de opvarmes og vende tilbage til deres oprindelige længde, når de afkøles. Sådanne termisk drevne kunstige muskler, imidlertid, har begrænsninger.

Elektrokemisk drevne carbon nanorør (CNT) muskler giver en alternativ tilgang til at imødekomme det voksende behov for hurtige, magtfulde, kunstige muskler med stort slag til applikationer lige fra robotteknologi og hjertepumper til morphing-tøj.

"Elektrokemisk drevne muskler er særligt lovende, da deres energiomdannelseseffektivitet ikke er begrænset af den termodynamiske varmemotorgrænse for termiske muskler, og de kan opretholde store kontraktile slag, mens de understøtter tunge belastninger uden at forbruge betydelig energi, " sagde Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair i Kemi og direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas. "I modsætning, menneskelige muskler og termisk drevne muskler har brug for en stor mængde inputenergi for at understøtte tunge belastninger, selv når de ikke udfører mekanisk arbejde."

I en undersøgelse udgivet online 28. januar i tidsskriftet Videnskab , forskerne beskriver at skabe kraftfulde, unipolære elektrokemiske garnmuskler, der trækker sig mere sammen, når de køres hurtigere, derved løse vigtige problemer, der har begrænset anvendelsen af ​​disse muskler.

Elektrokemisk drevne CNT-garnmuskler aktiveres ved at påføre en spænding mellem musklen og en modelektrode, som driver ioner fra en omgivende elektrolyt ind i musklen.

Men der er begrænsninger for elektrokemiske CNT-muskler. Først, muskelaktiveringen er bipolær, hvilket betyder, at muskelbevægelse - enten ekspansion eller sammentrækning - skifter retning under en potentiel scanning. Potentialet, ved hvilket slaget skifter retning, er potentialet for nulladning, og den hastighed, hvormed potentialet ændres over tid, er den potentielle scanningshastighed.

Et andet problem:En given elektrolyt er kun stabil over et bestemt spændingsområde. Uden for dette område, elektrolytten nedbrydes.

"Tidligere garnmuskler kan ikke bruge hele elektrolyttens stabilitetsområde, " sagde Baughman, en tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Også, musklens kapacitans - dens evne til at lagre den ladning, der er nødvendig for aktivering - falder med stigende potentielle scanningshastighed, hvilket får musklens slagtilfælde til at falde dramatisk med stigende aktiveringshastighed."

For at løse disse problemer, forskerne opdagede, at de indvendige overflader af oprullede carbon nanorør-garner kunne belægges med en passende ionisk ledende polymer, der indeholder enten positivt eller negativt ladede kemiske grupper.

"Denne polymerbelægning konverterer den normale bipolære aktivering af carbonnanorørsgarn til unipolær aktivering, hvor musklen virker i én retning over hele elektrolyttens stabilitetsområde, " sagde Baughman. "Denne længe søgte adfærd har overraskende konsekvenser, der gør elektrokemiske carbon nanorør muskler meget hurtigere og mere kraftfulde."

Ph.d.-studerende i kemi Zhong Wang, en medførsteforfatter af undersøgelsen, forklarede den underliggende videnskab:"Polymerens dipolære felt flytter potentialet for nulladning - hvilket er der, hvor den elektroniske ladning på nanorørene skifter fortegn - til uden for elektrolyttens stabilitetsområde. Derfor, ioner af kun ét tegn injiceres elektrokemisk for at kompensere for denne elektroniske ladning, og musklens slagtilfælde ændrer sig i én retning over hele dette brugbare potentielle scanningsområde."

Dr. Jiuke Mu, lektor ved UT Dallas NanoTech Institute og en medforfatter, sagde polymerbelægningen hjælper med at løse kapacitansproblemet for elektrokemiske garnmuskler.

"Antallet af opløsningsmiddelmolekyler, der pumpes ind i musklen af ​​hver ion, stiger med stigende potentielle scanningshastighed for nogle unipolære muskler, hvilket øger den effektive ionstørrelse, der driver aktivering, " sagde Mu. "Således, muskelslagtilfælde kan stige med en faktor på 3,8 med stigende potentiel scanningshastighed, mens slaget af carbon nanorørs garnmuskler uden polymerbelægningen falder med en faktor 4,2 for de samme ændringer i potentiel scanningshastighed."

Fremskridtene giver elektrokemiske unipolære muskler, der trækker sig sammen for at generere en maksimal gennemsnitlig mekanisk udgangseffekt pr. muskelvægt på 2,9 watt/gram, hvilket er omkring 10 gange den typiske kapacitet af menneskelige muskler og omkring 2,2 gange den vægt-normaliserede effekt kapacitet af en turboladet V-8 dieselmotor.

Polymercoatingen, der blev brugt til at frembringe disse resultater, var poly(natrium-4-styrensulfonat), som er godkendt til stofbrug og billig nok til brug ved blødgøring af vand. Inkorporering af denne polymergæst muliggjorde praktisk drift af en kulstofnanorørsmuskel fra høje temperaturer til under minus 30 grader Celsius.

Wang sagde, at holdet også opdagede, at unipolær adfærd, uden scanningshastighedsforbedrede streger, kunne opnås, når grafenoxid-nanoplader blev inkorporeret i garnmusklen ved hjælp af en biscrolling-proces, som UT Dallas-forskere skabte og patenterede.

"Brug af denne gæst til at give de dipolære felter, der er nødvendige for unipolær adfærd, øgede den maksimale gennemsnitlige kontraktile mekaniske effekt fra musklen til bemærkelsesværdige 8,2 watt/gram, hvilket er 29 gange den maksimale kapacitet af den samme vægt menneskelige muskel og omkring 6,2 gange den for en turboladet V-8 dieselmotor, " sagde Wang.

"Vi opdagede også, at to forskellige typer unipolære garnmuskler, hver med scanningshastighedsforbedrede streger, kan kombineres til en dobbelt-elektrode, all-solid-state garn muskel, derved eliminerer behovet for et flydende elektrolytbad, " sagde Wang. "En solid-state elektrolyt bruges til sideværts at forbinde to opviklede carbon nanorør-garner, der indeholder forskellige polymergæster, den ene har negativt ladede substituenter og den anden har positivt ladede substituenter. Begge garner trækker sig sammen under opladning for at bidrage additivt til aktivering, på grund af injektion af positive og negative ioner, henholdsvis. Disse unipolære muskler med to elektrode blev vævet til at lave aktiverende tekstiler, der kunne bruges til at forvandle tøj."