211service.com
Ultrastærke kulstof-nanorør muskler
Ved at spinde kulstof nanorør ind i garn en brøkdel af bredden af et menneskehår, har forskere udviklet kunstige muskler, der udøver 100 gange kraften, pr. område, af naturlige muskler. Dette er iflg Ray Baughman , direktør for Nanotech Institute ved University of Texas i Dallas , der præsenterede forskningen i Boston i sidste uge på Materials Research Society-konferencen.
Carbon-nanorør-garn som denne kan bruges som kraftfulde aktuatorer.
Kunstige muskler - aktuatorer baseret på sådanne materialer som visse typer metaller og polymerer, der krymper, vokser eller ændrer form - er nyttige til protetiske lemmer, mikroskalamaskiner og robotter. Vores største problem lige nu [ved at udvikle kunstige muskler] er [at] niveauet af kraft, der genereres, ikke er højt, siger Yoseph Bar-Cohen, seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, CA. Kulstof nanorør kan potentielt skabe enorm kraft.
Baughman har tidligere udviklet kulstof-nanorør-aktuatorer, der omdanner energi i brint til mekanisk kraft. Han bruger en konfiguration, der ligner en brændselscelle, hvor katalysatorbelagte kulstof-nanorør-elektroder også fungerer som aktuatorer, der ændrer størrelse som reaktion på elektrisk ladning. Desværre udnytter plader af kulstofnanorørene, der er brugt i disse eksperimenter, ikke god brug af kulstofnanorørnes styrke. Faktisk har det været en forskningsudfordring at finde et kulstof-nanorør-materiale, der udnytter den ekstraordinære styrke af individuelle nanorørmolekyler.
I Baughmans seneste arbejde, udført i samarbejde med John Madden ved University of British Columbia, lavede forskerne aktuatorer af carbon-nanorør-garn. Garnene skabes ved først at dyrke tætpakkede nanorør, hver omkring 100 mikrometer lange. Kulstofnanorørene samles derefter fra en del af dette felt og spundes sammen til lange, tynde tråde. Nanorørsgarnet kan kun være 2 procent af bredden af et hår – ikke engang synligt – men op til en meter langt. Ifølge Baughman var det at spinde disse tråde som at trække en fisk ind med en usynlig line. I sin konferencepræsentation beskrev han garn, der kunne understøtte belastninger 150 gange større end nanorørspapirer kunne.
Der er dog stadig meget arbejde at gøre med at udvikle materialerne. For det første, efterhånden som større belastninger påføres aktuatorer, kan de begynde at udvise krybning – det vil sige, at de ikke vender fuldstændigt tilbage til deres oprindelige tilstand med successive cyklusser. Baughman siger, at før disse aktuatorer kan være nyttige, skal kryb elimineres. Under belastning er cyklussen ikke reversibel - du har et lille kryb. I de fleste aktuatorapplikationer ønsker du ikke kryb.
Et andet nøgleproblem er opskalering fra tynde individuelle tråde. Selvom carbon-nanorør-musklerne kan udkonkurrere naturlige muskler pr. område og udøve 100 gange kraften, er naturlige muskler meget større, hvilket gør dem stærkere. Dette opskaleringsproblem har været en udfordring for kunstige muskler generelt, hvorfor de stadig ikke kan slå menneskelige muskler i funktioner som armbrydning, siger Bar-Cohen.
På trods af udfordringerne repræsenterer Baughmans arbejde indtil videre vigtige fremskridt for kulstof-nanorør-baserede kunstige muskler. [Baughman] har virkelig taget disse meget langt med hensyn til forarbejdning, siger Elizabeth Smela , professor i maskinteknik ved University of Maryland. Det faktum, at han kan danne gennemsigtige ledende plader, garn og andre materialer ud af disse kulstof nanorør er attraktivt. Forarbejdning er meget vigtig. Du kan have et lovende materiale, men hvis du ikke kan finde ud af at bearbejde det for at gøre tingene ud af det, gør det dig ikke meget godt.