211service.com
Lekkie jak powietrze, żaroodporne mięśnie nanorurek
Taśmy z nanorurek węglowych opracowane przez naukowców z University of Texas w Dallas są mocniejsze niż stal, rozciągliwe jak guma i lekkie jak powietrze. Wstęgi, które są wykonane z długich, splątanych nanorurek o grubości 11 nanometrów, mogą rozciągać się ponad trzykrotnie w stosunku do normalnej szerokości, ale są sztywniejsze i mocniejsze niż stal lub Mylar wzdłuż. Mogą rozszerzać się i kurczyć tysiące razy i wytrzymują temperatury od -190 do ponad 1600 °C. Co więcej, są prawie tak lekkie jak powietrze, przeźroczyste, przewodzące i elastyczne.
Rurki balonowe: Ta ilustracja pokazuje wnętrze paska o szerokości dwóch milimetrów z przewiewnego materiału nanorurek węglowych, który rozszerza się do ponad trzykrotnie swojej szerokości po przyłożeniu do niego napięcia o wartości pięciu kilowoltów.
Materiał prezentowany w czasopiśmie Nauka w tym tygodniu został opracowany przez Ray Baughman , dyrektor Instytut nanotechnologii na UT Dallas, który opracowuje różne rodzaje sztucznych mięśni na bazie nanorurek węglowych dla protetyki i robotyki. Materiały te zmieniają kształt i rozmiar w odpowiedzi na sygnały elektryczne lub chemiczne; niektóre rozszerzają się nawet o 1 procent i wywierają 100 razy większą siłę niż naturalne ludzkie mięśnie na tym samym obszarze.
Z drugiej strony nowe siłowniki rozszerzają się nawet o 200 procent, ale generują niewielkie siły na jednostkę powierzchni, co czyni je mniej niż idealnymi do wielu zastosowań, w tym robotyki. Jednak ich nowe właściwości, zwłaszcza zakres temperatur, mogą otworzyć nowe, ekscytujące zastosowania. Żadna inna technologia siłowników nie jest w stanie zapewnić uruchamiania w tak ekstremalnych temperaturach, mówi Baughman. A te szybkości aktywacji są gigantyczne.
Qibing Pei , profesor materiałoznawstwa i inżynierii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles, uważa, że materiał może być dobrym kandydatem na skrzydła samolotu zmieniające kształt. Firma Pei opracowała polimerowe siłowniki, które rozszerzają się nawet o 400 procent i pracują w temperaturach od -40 do 200 °C.
Ponieważ wstęgi z nanorurek są ultralekkie i mogą wytrzymać ekstremalne temperatury, być może mogą być również przydatne do tworzenia zmiennokształtnych części statków kosmicznych. Józef Bar-Cohen , starszy naukowiec w NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii. To ekscytujące, że materiał zachowuje się w ten sposób w szerokim zakresie temperatur, mówi. Z jednej strony mamy Marsa, az drugiej Wenus. Ich temperatury mieszczą się w zakresie wydajności tego materiału.
Ale na razie Baughman i jego koledzy koncentrują się na zastosowaniach optycznych tego materiału. Ponieważ nanorurki węglowe są wysoce przewodzące, elastyczne arkusze można by wykorzystać do wytwarzania elektrod do ogniw słonecznych i organicznych diod elektroluminescencyjnych o kontrolowanej przezroczystości i przewodności. W tym przypadku chcesz dostroić gęstość nanorurek węglowych na jednostkę powierzchni, mówi Baughman. Od tego zależy, jaką przezroczystość ma arkusz. w Nauka na papierze naukowcy wykazali, że wstęgi można osadzać na podłożu krzemowym w ich rozszerzonym, bardziej przezroczystym stanie. Wstęgi również uginają światło, dzięki czemu mogą być przydatne w komunikacji optycznej. Zmieniając swoje wymiary, wysyłamy różne długości fal światła w różnych kierunkach.
Naukowcy wytwarzają materiał, hodując splątane nanorurki węglowe, a następnie przeciągając splecione wiązki nanorurek w wstążki. Po przyłożeniu napięcia do pasków nanorurki ładują się i odpychają od siebie, powodując rozszerzanie się materiału. Normalnie powraca do swojego pierwotnego stanu po usunięciu napięcia.
Taśmy prawdopodobnie nadal będą musiały generować większą siłę, zanim będą praktyczne w wielu zastosowaniach. W tej chwili generują 32 razy więcej siły na jednostkę powierzchni niż mięsień sercowy, co jest dużo jak na ich wymiary w nanoskali, mówi Ian Hunter , profesor inżynierii mechanicznej na MIT. Jednak polimery elektroaktywne generują do ośmiu razy większą siłę na jednostkę powierzchni niż arkusze nanorurek. W przypadku sztucznych mięśni potrzebna jest duża zmiana siły w połączeniu z dużą zmianą długości, mówi Hunter.
Siłowniki polimerowe również potrzebują tylko kilku woltów do skurczu. Wstęgi natomiast wymagają od trzech do pięciu kilowoltów, co według Huntera jest zbyt wysokie do zastosowania u ludzi i wyższe niż idealne dla robotyki. Dodaje jednak, że taśmy nanorurek znajdą wiele ważnych zastosowań, ponieważ zmieniają wymiary znacznie szybciej niż istniejące siłowniki polimerowe.
Ultraniska gęstość arkuszy może być powodem, dla którego nie generują one dużych sił. John Madden , profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na University of British Columbia w Vancouver w Kanadzie, sugeruje, że jednym ze sposobów na zwiększenie dostarczanej przez nie siły może być zwiększenie gęstości arkuszy i zwiększenie stopnia zazębienia między nanorurek.