211service.com
Ultrastarka kol-nanorörsmuskler
Genom att spinna kolnanorör till garn en bråkdel av bredden på ett mänskligt hårstrå har forskare utvecklat konstgjorda muskler som utövar 100 gånger kraften, per område, av naturliga muskler. Detta är enligt Ray Baughman , direktör för Nanotech Institute vid University of Texas i Dallas , som presenterade forskningen i Boston förra veckan på Materials Research Society-konferensen.
Kol-nanorörsgarn som denna kan användas som kraftfulla ställdon.
Konstgjorda muskler – ställdon baserade på sådana material som vissa typer av metaller och polymerer som krymper, växer eller ändrar form – är användbara för proteser, maskiner i mikroskala och robotar. Vårt största problem just nu [att utveckla konstgjorda muskler] är [att] nivån av kraft som genereras inte är hög, säger Yoseph Bar-Cohen, senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, i Pasadena, CA. Kolnanorör kan potentiellt skapa enorm kraft.
Baughman har tidigare utvecklat kol-nanorör ställdon som omvandlar energi i väte till mekanisk kraft. Han använder en konfiguration som liknar en bränslecell där katalysatorbelagda kol-nanorörelektroder också fungerar som ställdon och ändrar storlek som svar på elektrisk laddning. Tyvärr använder inte ark av kolnanorören som används i dessa experiment på ett bra sätt av kolnanorörens styrka. Att hitta ett kol-nanorörmaterial som utnyttjar den extraordinära styrkan hos individuella nanorörsmolekyler har faktiskt varit en forskningsutmaning.
I Baughmans senaste arbete, gjort i samarbete med John Madden vid University of British Columbia, gjorde forskarna manöverdon av kol-nanorörgarn. Garnen skapas genom att först odla tätt packade nanorör, var och en cirka 100 mikrometer lång. Kolnanorören samlas sedan upp från en del av detta fält och snurras ihop till långa, tunna trådar. Nanorörsgarnet kan vara bara 2 procent av ett hårs bredd – inte ens synligt – men uppåt en meter långt. Enligt Baughman var att spinna dessa trådar som att dra in en fisk med en osynlig lina. I sin konferenspresentation beskrev han garn som kunde bära belastningar 150 gånger större än nanorörspapper.
Mycket arbete återstår dock att göra med att utveckla materialen. För det första, när större belastningar appliceras på ställdon, kan de börja uppvisa krypning – det vill säga att de inte helt återgår till sitt ursprungliga tillstånd med på varandra följande cykler. Baughman säger att innan dessa ställdon kan vara användbara måste krypning elimineras. Under belastning är cykeln inte reversibel – du har en liten krypning. I de flesta ställdonstillämpningar vill du inte ha något krypning.
En annan nyckelfråga är att skala upp från tunna enskilda trådar. Även om kol-nanorörsmusklerna kan prestera bättre än naturliga muskler per område och utöva 100 gånger kraften, är naturliga muskler mycket större, vilket gör dem starkare. Denna uppskalningsfråga har varit en utmaning för konstgjorda muskler i allmänhet, vilket är anledningen till att de fortfarande inte kan slå mänskliga muskler i sådana funktioner som armbrytning, säger Bar-Cohen.
Trots utmaningarna representerar Baughmans arbete hittills viktiga framsteg för kolnanorörsbaserade konstgjorda muskler. [Baughman] har verkligen tagit dessa väldigt långt när det gäller bearbetning, säger Elizabeth Smela , professor i maskinteknik vid University of Maryland. Det faktum att han kan forma genomskinliga ledande ark, garn och andra material av dessa kolnanorör är attraktivt. Bearbetning är mycket viktigt. Du kan ha ett lovande material, men om du inte kan ta reda på hur du ska bearbeta det för att göra saker ur det, gör det dig inte mycket.