Ställdon är enheter som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi, till exempel den batteridrivna enheten inuti en mobiltelefon som får telefonen att vibrera. När denna process är omvänd - när en enhet omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi - kallas enheten en energiskördare, och att elektrisk energi ofta lagras för framtida bruk. Ett exempel skulle vara en enhet inuti en pacemaker som omvandlar mekanisk energi som skapas av rörelsen av ett par andningslungor till elektrisk energi som kan användas för att ladda pacemakerns batterier.

Båda enheterna innehåller vanligtvis elektromekaniska material, såsom elektroaktiva polymerer, som är gjorda av kedjeliknande molekyler som ändrar storlek eller form när de stimuleras av ett elektriskt fält. Men deras effektivitet och hastighet beror på hur snabbt joner, eller elektriskt laddade partiklar, kan röra sig mellan elektroderna, eller ledarna som elektrisk ström passerar genom, för att ändra polymerens storlek eller form. Ju snabbare joner kan röra sig mellan elektroderna, ju mer jonisk ledningsförmåga dessa elektroder kommer att ha och desto mer känslig kommer materialet att vara för det elektriska fältet. Även om dessa polymerer vanligtvis innehåller nanopartiklar som är slumpmässigt spridda i materialet för att göra det ledande, detta saktar ner joner genom att tvinga dem att färdas i sicksackbanor runt de små partiklarna.

Nyligen, en MIT-forskare samarbetade med ett team av elektriska ingenjörer från Pennsylvania State University för att ta fram ett nytt sätt för joner att resa snabbare mellan elektroderna än vad de gör i traditionella polymerer. Brian L. Wardle, docent i flyg- och astronautik, och hans kollegor designade elektroder som innehåller inriktade kolnanorör - små, ihåliga cylindrar gjorda av kolatomer - för användning i en elektroaktiv polymer. Som de rapporterar i en tidning som ska publiceras 8 oktober in Avancerade funktionella material , denna inriktning skapade "expressbanor" som gjorde att jonerna kunde färdas snabbare mellan elektroderna. Specifikt, forskarna uppskattar att jonledningsförmågan för dessa elektroder är ungefär en storleksordning större än den för elektroder i polymerer som innehåller slumpmässigt spridda nanopartiklar.

Wardle och hans kollegor, inklusive Qiming M. Zhang, en professor i elektroteknik vid Penn State, och huvudförfattare Sheng Liu, en av Zhangs doktorander, visat att de inriktade kol-nanorörelektroderna kan förbättra jonprestanda i ett ställdon, vilket innebär att de kan optimeras för tillämpningar som konstgjorda muskler och robotar.

Forskarna konstaterar att enheterna skulle kunna användas som energiskördare genom en omvänd omvandlingsprocess. Det finns ett enormt intresse för att utveckla energiskördare för storskaliga applikationer, till exempel att skapa elektrisk energi från vind- eller havsvågor, säger Wardle. Enheterna kan också användas för att driva stora nätverk av mikroskopiska sensorer i svåråtkomliga områden som underjordiska rör.

Sammansatt skapelse

Forskarnas mål var att designa en komposit som skulle kunna fungera som en överlägsen elektrod. Genom att värma naturgas och utsätta den för en metallkatalysator, Wardle och flera av hans doktorander odlade de elektriskt ledande kolnanorören och hällde en polymer blandad i ett lösningsmedel över dem. När lösningsmedlet avdunstat, det lämnade efter sig en solid, jonporös komposit som innehåller både polymer- och kolnanorör. Forskarna använde sedan denna komposit för att skapa en struktur bestående av ett lager av ren polymer (för att fungera som en isolator) innehållande både positiva och negativa joner inklämda mellan två lager av kompositen gjorda av både polymer- och kolnanorör (för att fungera som elektroder) .

För att testa strukturens manövreringsförmåga, forskarna applicerade ett elektriskt lågspänningsfält. Denna spänning fick joner att flöda från ett elektrodskikt till det andra, vilket resulterade i att ena sidan av strukturen innehöll fler joner. Denna jonobalans genererade tillräckligt med tryck för att få hela strukturen att böjas, därigenom skapas mekanisk energi. Experimentet avslöjade också att kompositelektroddesignen hjälpte till att minimera det elektriska motståndet.

Forskarna tror att samma enhet skulle kunna användas som en energiskördare om den utsätts för mekanisk belastning, till exempel genom kompression. Det beror på att kompression skulle få jonerna att röra sig annorlunda, vilket skulle orsaka en obalanserad elektrisk laddning. Detta, i tur och ordning, skulle skapa en spänningsskillnad och producera ett flöde av el.

Optimerande design

Yoseph Bar-Cohen, en senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory, säger att studien visar en förbättring av joniska polymerer. Men han är nyfiken på enhetens svar under längre tidsperioder, noterar att den aktuella studien var begränsad till endast ett 10-minuters experiment.

När de utvecklar dessa elektroder, Wardle och hans medarbetare försöker bestämma en optimal design. Nu när de har visat hur effektiva kolnanorör är för elektrodeffektivitet, de utforskar vissa detaljer som kan möjliggöra optimal prestanda, såsom avståndet mellan de små rören.