211service.com
Ultramocne mięśnie nanorurek węglowych
Poprzez przędzenie nanorurek węglowych w przędzę o ułamku szerokości ludzkiego włosa, naukowcy opracowali sztuczne mięśnie, które wywierają 100-krotnie większą siłę na obszar niż naturalny mięsień. Jest to zgodne z Ray Baughman , dyrektor Instytut Nanotech na Uniwersytecie Teksańskim w Dallas , który przedstawił badania w Bostonie w zeszłym tygodniu na konferencji Materials Research Society.
Przędze z nanorurek węglowych, takie jak ta, mogą być używane jako potężne siłowniki.
Sztuczne mięśnie – siłowniki oparte na takich materiałach, jak niektóre rodzaje metali i polimerów, które kurczą się, rosną lub zmieniają kształt – są przydatne w protezach kończyn, maszynach w mikroskali i robotach. Naszym największym problemem w tej chwili [w rozwijaniu sztucznych mięśni] jest to, że poziom generowanej siły nie jest wysoki, mówi Yoseph Bar-Cohen, starszy naukowiec w NASA Jet Propulsion Laboratory w Pasadenie w Kalifornii. Nanorurki węglowe potencjalnie mogą wytworzyć ogromną siłę.
Baughman opracował wcześniej siłowniki z nanorurek węglowych, które przekształcają energię wodoru w siłę mechaniczną. Używa konfiguracji podobnej do ogniwa paliwowego, w którym pokryte katalizatorem elektrody z nanorurek węglowych działają również jako siłowniki, zmieniając rozmiar w odpowiedzi na ładunek elektryczny. Niestety, arkusze nanorurek węglowych wykorzystywane w tych eksperymentach nie wykorzystują dobrze wytrzymałości nanorurek węglowych. Rzeczywiście, znalezienie materiału z nanorurek węglowych, który wykorzystuje niezwykłą siłę pojedynczych cząsteczek nanorurek, było wyzwaniem badawczym.
W najnowszej pracy Baughmana, wykonanej we współpracy z Johnem Maddenem z Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej, naukowcy wykonali siłowniki z przędzy z nanorurek węglowych. Przędza powstaje przez wyhodowanie gęsto upakowanych nanorurek, każda o długości około 100 mikrometrów. Nanorurki węglowe są następnie zbierane z części tego pola i splatane w długie, cienkie nitki. Przędza z nanorurek może mieć zaledwie 2 procent szerokości włosa – nawet niewidocznego – ale może mieć ponad metr długości. Według Baughmana obracanie tych nici przypominało wciąganie ryby niewidzialną żyłką. W swojej prezentacji konferencyjnej opisał przędze, które mogą wytrzymać obciążenia 150 razy większe niż papiery z nanorurek.
Jednak wiele pozostaje do zrobienia w opracowywaniu materiałów. Po pierwsze, w miarę jak na siłowniki przykładane są większe obciążenia, mogą one zacząć wykazywać pełzanie – to znaczy nie wracają całkowicie do swojego pierwotnego stanu w kolejnych cyklach. Baughman mówi, że zanim te siłowniki będą użyteczne, należy wyeliminować pełzanie. Pod obciążeniem cykl nie jest odwracalny – masz trochę pełzania. W większości zastosowań siłowników nie chcesz pełzać.
Inną kluczową kwestią jest skalowanie z cienkich pojedynczych wątków. Chociaż mięśnie nanorurek węglowych mogą przewyższać naturalne mięśnie w przeliczeniu na obszar, wywierając 100 razy większą siłę, naturalne mięśnie są znacznie większe, co czyni je silniejszymi. Ten problem na większą skalę był wyzwaniem dla sztucznych mięśni w ogóle, dlatego nadal nie są one w stanie pokonać ludzkich mięśni w takich funkcjach, jak siłowanie się na rękę, mówi Bar-Cohen.
Pomimo wyzwań, dotychczasowe prace Baughmana stanowią ważne postępy w dziedzinie sztucznych mięśni opartych na nanorurkach węglowych. [Baughman] naprawdę zaszedł bardzo daleko pod względem przetwarzania, mówi Elżbieta Smela , profesor inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Maryland. Atrakcyjny jest fakt, że potrafi on formować przezroczyste arkusze przewodzące, przędze i inne materiały z tych nanorurek węglowych. Przetwarzanie jest bardzo ważne. Możesz mieć obiecujący materiał, ale jeśli nie wiesz, jak go przetworzyć, aby z niego zrobić rzeczy, nie przyniesie ci to wiele dobrego.