211service.com
Lätt-som-luft, värmebeständiga nanorörmuskler
Kol-nanorörsband som utvecklats av forskare vid University of Texas i Dallas är starkare än stål, lika stretchiga som gummi och lika lätta som luft. Banden, som är gjorda av långa, intrasslade 11 nanorör tjocka nanorör, kan sträcka sig till mer än tre gånger sin normala bredd men är styvare och starkare än stål eller Mylar på längden. De kan expandera och dra ihop sig tusentals gånger och tål temperaturer från -190 till över 1 600 °C. Dessutom är de nästan lika lätta som luft och är transparenta, ledande och flexibla.
Ballongrör: Den här illustrationen visar insidan av en två millimeter bred remsa av ett luftigt kol-nanorörmaterial som expanderar till mer än tre gånger dess bredd när en fem kilovolts spänning appliceras på den.
Materialet, presenterat i tidskriften Vetenskap denna vecka, utvecklades av Ray Baughman , direktör för Nanotech Institute vid UT Dallas, som utvecklar olika typer av kol-nanorör-baserade konstgjorda muskler för proteser och robotik. Dessa material ändrar form och storlek som svar på elektriska eller kemiska signaler; vissa expanderar med upp till 1 procent och utövar 100 gånger mer kraft än naturliga mänskliga muskler över samma område.
De nya ställdonen, å andra sidan, expanderar med upp till 200 procent men genererar små krafter per ytenhet, vilket gör dem mindre än idealiska för många applikationer, inklusive robotteknik. Deras nya egenskaper, särskilt deras temperaturområde, kan dock öppna upp för spännande nya applikationer. Ingen annan ställdonteknologi kan ge aktivering vid dessa extrema temperaturer, säger Baughman. Och dessa aktiveringshastigheter är enorma.
Qibing Pei , en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid University of California, Los Angeles, tror att materialet kan vara en bra kandidat för formförändrande flygplansvingar. Pei har utvecklat polymerställdon som expanderar med upp till 400 procent och arbetar mellan -40 och 200 °C.
Eftersom nanorörsbanden är ultralätta och kan hantera extrema temperaturer, kan de kanske också vara användbara för att göra formskiftande rymdskeppsdelar, säger Yoseph Bar-Cohen , en senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, i Pasadena, CA. Det är spännande att materialet beter sig så över ett brett temperaturområde, säger han. På ena sidan har vi Mars och på andra sidan har vi Venus. Deras temperaturer ligger inom prestandaintervallet för detta material.
Men för tillfället fokuserar Baughman och hans kollegor på optiska tillämpningar för materialet. Eftersom kolnanorör är mycket ledande kan de flexibla arken kanske användas för att tillverka elektroder för solceller och organiska lysdioder med kontrollerbar transparens och konduktivitet. För den applikationen vill du ställa in densiteten av kolnanorör per ytenhet, säger Baughman. Det avgör hur mycket genomskinlighet arket har. I den Vetenskap papper visar forskarna att banden kan avsättas på ett kiselsubstrat i deras expanderade, mer transparenta tillstånd. Banden diffrakterar också ljus så att de kanske kan visa sig användbara i optisk kommunikation. Att ändra deras dimensioner skickar olika våglängder av ljus i olika riktningar.
Forskarna tillverkar materialet genom att odla intrasslade kolnanorör och sedan dra sammanflätade nanorörsbuntar till band. När en spänning läggs på remsorna laddas nanorören och trycker bort varandra, vilket gör att materialet expanderar. Den återgår normalt till sitt ursprungliga tillstånd när spänningen tas bort.
Banden kommer förmodligen fortfarande att behöva generera mer kraft innan de är praktiska för många applikationer. Just nu genererar de 32 gånger så mycket kraft per ytenhet som hjärtmuskler, vilket är mycket för deras nanoskala dimensioner, säger Ian Hunter , professor i maskinteknik vid MIT. Elektroaktiva polymerer genererar dock upp till åtta gånger så mycket kraft per ytenhet som nanorörsarken. För konstgjorda muskler behöver du en stor förändring i kraft tillsammans med en stor förändring i längd, säger Hunter.
Polymerställdon behöver också bara några volt för att dra ihop sig. Banden, däremot, kräver tre till fem kilovolt, vilket Hunter säger är för högt för användning på människor och högre än idealiskt för robotik. Han tillägger dock att nanorörsbanden kommer att hitta många viktiga tillämpningar eftersom de ändrar dimensioner mycket snabbare än befintliga polymerställdon.
Den ultralåga densiteten hos arken kan vara orsaken till att de inte genererar stora krafter. John Madden , en professor i el- och datorteknik vid University of British Columbia i Vancouver, Kanada, föreslår att ett sätt att öka kraften som de tillhandahåller kan vara att göra arken tätare och öka graden av sammanlåsning mellan nanorören.