211service.com
Let-som-luft, varmetætte nanorørmuskler
Carbon-nanorør-bånd udviklet af forskere ved University of Texas i Dallas er stærkere end stål, lige så strækbare som gummi og så lette som luft. Båndene, som er lavet af lange, sammenfiltrede 11 nanometer tykke nanorør, kan strække sig til mere end tre gange deres normale bredde, men er stivere og stærkere end stål eller Mylar på langs. De kan udvide sig og trække sig sammen tusindvis af gange og modstå temperaturer fra -190 til over 1.600 °C. Desuden er de næsten lige så lette som luft og er gennemsigtige, ledende og fleksible.
Ballonrør: Denne illustration viser indersiden af en to millimeter bred strimmel af et luftigt kulstof-nanorør-materiale, der udvider sig til mere end tre gange dets bredde, når en spænding på fem kilovolt påføres det.
Materialet, præsenteret i journalen Videnskab denne uge, blev udviklet af Ray Baughman , direktør for Nanoteknologisk Institut på UT Dallas, som udvikler forskellige slags kulstof-nanorør-baserede kunstige muskler til proteser og robotter. Disse materialer ændrer form og størrelse som reaktion på elektriske eller kemiske signaler; nogle udvider sig med op til 1 procent og udøver 100 gange mere kraft end naturlige menneskelige muskler over det samme område.
De nye aktuatorer, på den anden side, udvider sig med op til 200 procent, men genererer små kræfter pr. arealenhed, hvilket gør dem mindre end ideelle til mange applikationer, herunder robotteknologi. Men deres nye egenskaber, især deres temperaturområde, kunne åbne op for spændende nye applikationer. Ingen anden aktuatorteknologi kan give aktivering ved disse ekstreme temperaturer, siger Baughman. Og disse aktiveringsrater er enorme.
Qibing Pei , en materialevidenskab og ingeniørprofessor ved University of California, Los Angeles, mener, at materialet kunne være en god kandidat til formændrende flyvinger. Pei har udviklet polymeraktuatorer, der udvider sig med op til 400 procent og arbejder mellem -40 og 200 °C.
Da nanorørsbåndene er ultralette og kan klare ekstreme temperaturer, kunne de måske også være nyttige til at lave formskiftende rumfartøjsdele, siger Yoseph Bar-Cohen , en seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA. Det er spændende, at materialet opfører sig sådan over et bredt temperaturområde, siger han. På den ene side har vi Mars, og på den anden side har vi Venus. Deres temperaturer er inden for dette materiales ydeevneområde.
Men indtil videre fokuserer Baughman og hans kolleger på optiske anvendelser af materialet. Fordi kulstofnanorør er stærkt ledende, kunne de fleksible plader måske bruges til at lave elektroder til solceller og organiske lysdioder med kontrollerbar gennemsigtighed og ledningsevne. Til den applikation vil du justere tætheden af kulstofnanorør pr. arealenhed, siger Baughman. Det afgør, hvor meget gennemsigtighed arket har. I den Videnskab papir, viser forskerne, at båndene kan aflejres på et siliciumsubstrat i deres udvidede, mere gennemsigtige tilstand. Båndene afleder også lys, så de måske kunne vise sig nyttige i optisk kommunikation. Ændring af deres dimensioner sender forskellige bølgelængder af lys i forskellige retninger.
Forskerne fremstiller materialet ved at dyrke sammenfiltrede kulstofnanorør og derefter trække sammenflettede nanorørbundter til bånd. Når en spænding påføres strimlerne, bliver nanorørene ladet og skubber hinanden væk, hvilket får materialet til at udvide sig. Den vender normalt tilbage til sin oprindelige tilstand, når spændingen fjernes.
Båndene skal sandsynligvis stadig generere mere kraft, før de er praktiske til mange anvendelser. Lige nu genererer de 32 gange så meget kraft pr. arealenhed som hjertemuskler, hvilket er meget for deres nanoskala dimensioner, siger Ian Hunter , professor i maskinteknik ved MIT. Imidlertid genererer elektroaktive polymerer op til otte gange så meget kraft pr. arealenhed som nanorørpladerne. For kunstige muskler har du brug for en stor ændring i kraft kombineret med en stor ændring i længden, siger Hunter.
Polymeraktuatorer behøver også kun et par volt for at trække sig sammen. Båndene kræver derimod tre til fem kilovolt, hvilket Hunter siger er for højt til brug i mennesker og højere end ideelt til robotteknologi. Han tilføjer dog, at nanorørsbåndene vil finde mange vigtige anvendelser, fordi de ændrer dimensioner meget hurtigere end eksisterende polymeraktuatorer.
Den ultralave tæthed af pladerne kan være årsagen til, at de ikke genererer store kræfter. John Madden , en elektrisk- og computeringeniørprofessor ved University of British Columbia i Vancouver, Canada, foreslår, at en måde at øge den kraft, de leverer, kunne være at gøre arkene tættere og øge graden af sammenlåsning mellem nanorørene.