Klimmuren met koolstofnanobuisjes

Onderzoekers hebben een op koolstof-nanobuis gebaseerde tape ontwikkeld die nuttig zou kunnen zijn voor het maken van robots die muren beklimmen en speciale zelfklevende handschoenen voor astronauten. In tegenstelling tot gewone tape, die uiteindelijk zijn plakkerigheid verliest, plakt dit nieuwe materiaal als een permanente lijm, maar het kan worden verwijderd en opnieuw worden gebruikt. Het kan ook op een grotere verscheidenheid aan materialen blijven plakken, waaronder glas en teflon.





Onderzoekers hebben de haren op gekkopoten nagebootst (onderste afbeelding) door koolstofnanobuisjes in bundels te laten groeien.

Door onderzoekers nagesynchroniseerde gekko-tape, het materiaal werkt door de nano- en microschaalstructuren op de voeten van gekko's na te bootsen, waardoor ze snel muren kunnen beklimmen en over plafonds kunnen rennen. De tape is herbruikbaar en droogt niet uit of glijdt niet van de muur omdat er, in tegenstelling tot gewone tape, geen visco-elastische lijmen worden gebruikt. In plaats daarvan maakt het gebruik van koolstofnanobuisjes om gebruik te maken van microschaal Van der Waals-krachten die optreden op zeer korte afstanden tussen oppervlakken. Bundels nanobuisjes passen zich aan de kleinste microscopische variaties op een oppervlak aan, net zoals de bundels nanoscopische keratinevezels waaruit de haren op gekkopoten bestaan, ze in staat stellen zich aan de muren aan te passen.

Net als gewone tape, kleeft gekkotape sterk wanneer deze evenwijdig aan een oppervlak wordt getrokken; het kan iets minder dan 10 pond per vierkante centimeter ondersteunen. Maar de tape kan relatief gemakkelijk worden afgepeld wanneer deze loodrecht op een oppervlak wordt getrokken.



Naarmate de controle over materialen op nanoschaal is toegenomen, neemt ook het aantal groepen toe dat versies van gekkotape ontwikkelt. Maar de nieuwe tape, gemaakt door onderzoekers van de Universiteit van Akron en het Rensselaer Polytechnic Institute (RPI), is veel sterker dan die versies en kan vier keer meer gewicht per gebied dragen dan gekkopoten. Andere onderzoekers hebben in het verleden geprobeerd koolstofnanobuizen te gebruiken, deels omdat ze erg sterk zijn en veel hogere temperaturen kunnen weerstaan ​​dan plastic, en daarom voor meer toepassingen nuttig zouden zijn. Maar die nanobuisjes waren te stijf om praktisch te zijn, zegt Manoj Chaudhury , een professor in chemische technologie aan de Lehigh University, die aan soortgelijke projecten heeft gewerkt. Dus de onderzoekers van Akron en RPI hebben de nanobuisjes aangepast door gebruik te maken van het feit dat ze chemisch kunnen worden gekweekt om verschillende aantallen wanden te hebben. De onderzoekers hebben een evenwicht gevonden tussen te veel wanden, waardoor de nanobuisjes te stijf worden, en te weinig, waardoor ze zwak worden, zegt Chaudhury.

multimedia

  • Bekijk een diavoorstelling over de technologie.

Om de tape nog sterker te maken met behoud van flexibiliteit, namen de onderzoekers een tip van de gekko's. Ze kweekten nanobuisjes in verschillende bundels, net zoals de bundels vezels waaruit de haren op gekkopoten bestaan. Nanobuisjes worden gemaakt door katalysatoren bloot te stellen aan koolwaterstofgrondstoffen: geleidelijk hoopt koolstof zich op de katalysatoren op in een kenmerkende atomaire opstelling die buizen vormt. De onderzoekers kweekten nanobuisjes in bundels door het katalysatormateriaal af te zetten in een patroon van losse vierkantjes. Vervolgens brachten ze deze bundels nanobuisjes over op een flexibel plastic om de tape te maken.

De tape kan nog op een aantal manieren worden verbeterd. Op dit moment is er een aanzienlijke hoeveelheid druk nodig om goed contact te krijgen tussen de nanobuisjes en het oppervlak, zegt Metin Sitti , een professor in werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University, die soortgelijke materialen ontwikkelt. Chaudhury zegt dat het uiteindelijk leuk zou zijn om een ​​materiaal te hebben dat met weinig of geen druk blijft plakken, vooral voor gebruik met muurklimrobots. Ali Dhinojwala , een professor in polymeerwetenschap aan de Universiteit van Akron, die het werk leidde, zegt dat de bevestigingsdruk kan worden verminderd door dingen te doen zoals het verzachten van de achterkant van de tape.

Ook willen de onderzoekers de tape sterker maken. Op dit moment, wanneer het evenwijdig aan een oppervlak wordt getrokken, komt de tape niet los omdat de koolstofnanobuisjes van het oppervlak komen, maar omdat de nanobuisjes zelf breken. De onderzoekers werken momenteel aan een aantal manieren om de nanobuisjes te versterken om te profiteren van deze sterke hechting. Ze werken er ook aan om de tape duizenden keren herbruikbaar te maken, in plaats van de tientallen keren dat hij nu kan worden gebruikt. Om dit doel te bereiken, zullen Dhinojwala en zijn team de tape zelfreinigend moeten maken, zoals gekkopoten.

Om de tape te commercialiseren, zullen de onderzoekers ook grotere stukken tape moeten maken. Tot nu toe hebben ze alleen stukjes tape gemaakt die veel kleiner zijn dan een dubbeltje.

zich verstoppen