211service.com
Ultrasterke koolstof-nanobuis-spieren
Door koolstofnanobuizen tot garen te spinnen met een fractie van de breedte van een mensenhaar, hebben onderzoekers kunstmatige spieren ontwikkeld die 100 keer de kracht, per gebied, van natuurlijke spieren uitoefenen. Dit blijkt uit Ray Baughman , directeur van de Nanotech Institute aan de Universiteit van Texas in Dallas , die het onderzoek vorige week in Boston presenteerde op de Materials Research Society-conferentie.
Koolstof-nanobuisgarens zoals deze kunnen worden gebruikt als krachtige actuatoren.
Kunstmatige spieren - actuatoren op basis van materialen zoals bepaalde soorten metalen en polymeren die krimpen, groeien of van vorm veranderen - zijn nuttig voor prothetische ledematen, microschaalmachines en robots. Ons grootste probleem op dit moment [bij het ontwikkelen van kunstmatige spieren] is [dat] het niveau van de gegenereerde kracht niet hoog is, zegt Yoseph Bar-Cohen, senior onderzoeker bij NASA's Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, CA. Koolstof nanobuisjes kunnen potentieel enorme kracht creëren.
Baughman heeft eerder koolstof-nanobuis-actuatoren ontwikkeld die energie in waterstof omzetten in mechanische kracht. Hij gebruikt een configuratie die lijkt op een brandstofcel waarin met katalysator gecoate koolstof-nanobuis-elektroden ook fungeren als actuatoren, die van grootte veranderen als reactie op elektrische lading. Helaas maken vellen van de koolstofnanobuisjes die in deze experimenten worden gebruikt, geen goed gebruik van de sterkte van de koolstofnanobuisjes. Het is inderdaad een onderzoeksuitdaging geweest om een koolstof-nanobuismateriaal te vinden dat gebruikmaakt van de buitengewone sterkte van individuele nanobuismoleculen.
In het laatste werk van Baughman, gedaan in samenwerking met John Madden van de University of British Columbia, maakten de onderzoekers actuatoren van koolstof-nanobuisgarens. De garens worden gemaakt door eerst dicht opeengepakte nanobuisjes te kweken, elk ongeveer 100 micrometer lang. De koolstofnanobuisjes worden vervolgens uit een deel van dit veld verzameld en samengesponnen tot lange, dunne draden. Het nanobuisgaren kan slechts 2 procent van de breedte van een haar zijn - zelfs niet zichtbaar - maar meer dan een meter lang. Volgens Baughman was het spinnen van deze draden als het binnenhalen van een vis met een onzichtbare lijn. In zijn presentatie op de conferentie beschreef hij garens die ladingen konden dragen die 150 keer groter waren dan papier van nanobuisjes.
Er moet echter nog veel werk worden verzet om de materialen te ontwikkelen. Om te beginnen kunnen actuatoren, naarmate er grotere belastingen worden uitgeoefend, kruip gaan vertonen, dat wil zeggen dat ze niet volledig terugkeren naar hun oorspronkelijke staat met opeenvolgende cycli. Baughman zegt dat voordat deze actuatoren nuttig kunnen zijn, kruip moet worden geëlimineerd. Onder belasting is de cyclus niet omkeerbaar - je hebt een beetje griezel. In de meeste actuatortoepassingen wil je geen kruip.
Een ander belangrijk probleem is het opschalen van dunne individuele threads. Hoewel de koolstof-nanobuisspieren per gebied beter kunnen presteren dan natuurlijke spieren, waarbij ze 100 keer zoveel kracht uitoefenen, zijn natuurlijke spieren veel groter, waardoor ze sterker worden. Dit opschalingsprobleem was een uitdaging voor kunstmatige spieren in het algemeen, en daarom kunnen ze menselijke spieren nog steeds niet verslaan in functies als armworstelen, zegt Bar-Cohen.
Ondanks de uitdagingen vertegenwoordigt het werk van Baughman tot nu toe belangrijke vooruitgang voor kunstmatige spieren op basis van koolstofnanobuisjes. [Baughman] heeft deze echt heel ver gebracht in termen van verwerking, zegt: Elizabeth Smela , hoogleraar werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Maryland. Het feit dat hij uit deze koolstofnanobuisjes transparante geleidende vellen, garens en andere materialen kan vormen, is aantrekkelijk. Verwerking is erg belangrijk. Je kunt een veelbelovend materiaal hebben, maar als je er niet achter kunt komen hoe je het moet verwerken om er dingen van te maken, heb je er niet veel aan.