211service.com
Licht-als-lucht, hittebestendige nanobuisspieren
Linten van koolstof-nanobuis, ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas, zijn sterker dan staal, zo rekbaar als rubber en zo licht als lucht. De linten, die zijn gemaakt van lange, verstrengelde nanobuisjes van 11 nanometer dik, kunnen tot meer dan drie keer hun normale breedte uitrekken, maar zijn in de lengte stijver en sterker dan staal of Mylar. Ze kunnen duizenden keren uitzetten en krimpen en zijn bestand tegen temperaturen van -190 tot meer dan 1600 °C. Bovendien zijn ze bijna net zo licht als lucht en transparant, geleidend en flexibel.
Ballonvaren buizen: Deze afbeelding toont de binnenkant van een twee millimeter brede strook van een luchtig koolstof-nanobuismateriaal dat uitzet tot meer dan drie keer zijn breedte wanneer er een spanning van vijf kilovolt op wordt gezet.
Het materiaal, gepresenteerd in het tijdschrift Wetenschap deze week, is ontwikkeld door Ray Baughman , directeur van de Nanotech Instituut bij UT Dallas, die verschillende soorten op koolstof-nanobuisjes gebaseerde kunstmatige spieren ontwikkelt voor protheses en robotica. Deze materialen veranderen van vorm en grootte als reactie op elektrische of chemische signalen; sommige zetten uit tot wel 1 procent en oefenen 100 keer meer kracht uit dan natuurlijke menselijke spieren over hetzelfde gebied.
De nieuwe actuatoren daarentegen breiden uit tot 200 procent, maar genereren kleine krachten per oppervlakte-eenheid, waardoor ze niet ideaal zijn voor veel toepassingen, waaronder robotica. Hun nieuwe eigenschappen, vooral hun temperatuurbereik, zouden echter opwindende nieuwe toepassingen kunnen openen. Geen enkele andere actuatortechnologie kan bij deze extreme temperaturen voor aandrijving zorgen, zegt Baughman. En deze activeringssnelheden zijn gigantisch.
Qibing Pei , een professor materiaalwetenschap en techniek aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, gelooft dat het materiaal een goede kandidaat kan zijn voor vormveranderende vliegtuigvleugels. Pei heeft polymeer actuatoren ontwikkeld die tot 400 procent uitzetten en werken tussen -40 en 200 °C.
Omdat de linten van nanobuisjes ultralicht zijn en extreme temperaturen aankunnen, kunnen ze misschien ook nuttig zijn voor het maken van vormveranderende onderdelen van ruimtevaartuigen, zegt Joseph Bar-Cohen , een senior onderzoekswetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory, in Pasadena, CA. Het is opwindend dat het materiaal zich zo gedraagt over een breed temperatuurbereik, zegt hij. Aan de ene kant hebben we Mars en aan de andere kant hebben we Venus. Hun temperaturen liggen binnen het prestatiebereik van dit materiaal.
Maar voorlopig concentreren Baughman en zijn collega's zich op optische toepassingen voor het materiaal. Omdat koolstofnanobuisjes zeer geleidend zijn, zouden de flexibele platen misschien kunnen worden gebruikt om elektroden te maken voor zonnecellen en organische lichtgevende diodes met regelbare transparantie en geleidbaarheid. Voor die toepassing wil je de dichtheid van koolstofnanobuisjes per oppervlakte-eenheid afstemmen, zegt Baughman. Dat bepaalt hoeveel transparantie het vel heeft. In de Wetenschap papier laten de onderzoekers zien dat de linten in hun geëxpandeerde, meer transparante staat op een siliciumsubstraat kunnen worden gedeponeerd. De linten buigen ook licht, zodat ze misschien nuttig kunnen zijn in optische communicatie. Het veranderen van hun afmetingen stuurt verschillende golflengten van licht in verschillende richtingen.
De onderzoekers maken het materiaal door verstrengelde koolstofnanobuisjes te laten groeien en vervolgens verstrengelde nanobuisbundels in linten te trekken. Wanneer er spanning op de strips wordt gezet, worden de nanobuisjes opgeladen en duwen ze elkaar weg, waardoor het materiaal uitzet. Het keert normaal gesproken terug naar zijn oorspronkelijke staat wanneer de spanning wordt verwijderd.
De linten zullen waarschijnlijk nog meer kracht moeten genereren voordat ze voor veel toepassingen bruikbaar zijn. Op dit moment genereren ze 32 keer zoveel kracht per oppervlakte-eenheid als hartspieren, wat veel is voor hun nanoschaaldimensies, zegt Ian Hunter , een professor in werktuigbouwkunde aan het MIT. Elektroactieve polymeren genereren echter tot acht keer zoveel kracht per oppervlakte-eenheid als de nanobuisjes. Voor kunstmatige spieren heb je een grote krachtsverandering nodig in combinatie met een grote verandering in lengte, zegt Hunter.
Polymeeractuators hebben ook maar een paar volt nodig om samen te trekken. De linten hebben daarentegen drie tot vijf kilovolt nodig, wat volgens Hunter te hoog is voor gebruik bij mensen en hoger dan ideaal voor robotica. Hij voegt er echter aan toe dat de nanobuislinten veel belangrijke toepassingen zullen vinden omdat ze veel sneller van afmetingen veranderen dan bestaande polymere actuatoren.
De ultralage dichtheid van de platen zou de reden kunnen zijn waarom ze geen grote krachten genereren. John Madden , een professor in elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van British Columbia in Vancouver, Canada, suggereert dat een manier om de kracht die ze leveren te vergroten, zou kunnen zijn om de platen dichter te maken en de mate van interlocking tussen de nanobuisjes te vergroten.