Detta är en svepelektronmikrofotografi av ett kolnanorörsgarn med en diameter på 3,8 mikron som fungerar som en vridningsmuskel när den fylls med en jonledande vätska och är elektrokemiskt laddad. Vinkeln alfa indikerar avvikelsen mellan nanorörorientering och garnriktning för detta spiralformade garn. Kredit:Bild med tillstånd från University of Texas i Dallas
Nya konstgjorda muskler som vrider sig som en elefants snabel, men ger tusen gånger högre rotation per längd, tillkännagavs den 13 oktober för publicering i Vetenskap tidningen av ett team av forskare från University of Texas i Dallas, University of Wollongong i Australien, University of British Columbia i Kanada, och Hanyang University i Korea.
Dessa muskler, baserat på garn av kolnanorör, accelerera en 2000 gånger tyngre paddel upp till 590 varv per minut på 1,2 sekunder, och vänd sedan denna rotation när den pålagda spänningen ändras. Den påvisade rotationen på 250 per millimeter muskellängd är över tusen gånger så stor som tidigare konstgjorda muskler, som är baserade på ferroelektrik, formminneslegeringar, eller ledande organiska polymerer. Utgångseffekten per garnvikt är jämförbar med den för stora elmotorer, och den viktnormaliserade prestandan hos dessa konventionella elmotorer försämras kraftigt när de minskas till millimeterskala.
Dessa muskler utnyttjar starka, tuff, mycket flexibla garn av kolnanorör, som består av nanoskala cylindrar av kol som är tio tusen gånger mindre i diameter än ett människohår. Viktigt för framgång, dessa nanorör spunns till spiralformade garn, vilket innebär att de har vänster- och högerhänta versioner (som våra händer), beroende på rotationsriktningen under vridning av nanorören för att göra garn. Rotationen är vridbar, vilket innebär att vridning sker i en riktning tills en begränsande rotation resulterar, och sedan kan rotationen vändas genom att ändra den applicerade spänningen. Vänster och höger garn roterar i motsatta riktningar när de är elektriskt laddade, men i båda fallen blir effekten av laddning att garnet delvis tvinnas.
Detta är en illustration av en elektrolytfylld elektrokemisk cell som används för att karakterisera vridnings- och dragaktivering för en kolnanorörmuskel, där den valfria referenselektroden, den aktiverande nanorörsgarnelektroden, och motelektroden är från vänster till höger. Torsionsaktivering roterar paddeln som är fäst vid nanorörsgarnet. Kredit:Bild med tillstånd från University of Texas i Dallas
Till skillnad från konventionella motorer, vars komplexitet gör dem svåra att miniatyrisera, de torsionella nanorörsmusklerna i kol är enkla att till ett billigt sätt konstruera i antingen mycket långa eller millimeterlängder. Nanorörsvridmotorerna består av en garnelektrod och en motelektrod, som är nedsänkta i en joniskt ledande vätska. Ett lågspänningsbatteri kan fungera som strömkälla, vilket möjliggör elektrokemisk laddning och urladdning av garnet för att ge vridningsrotation i motsatta riktningar. I det enklaste fallet, forskarna fäster en paddel på nanorörsgarnet, som möjliggör vridningsrotation för att göra användbart arbete – som att blanda vätskor på "mikrofluidchips" som används för kemisk analys och avkänning.
Mekanismen för vridningsrotation är anmärkningsvärd. Att ladda nanorörsgarnen är som att ladda en superkondensator - joner migrerar in i garnen för att elektrostatiskt balansera den elektroniska laddningen som elektriskt injiceras på nanorören. Trots att garnen är porösa, detta inflöde av joner får garnet att öka volymen, krympa i längd med upp till en procent, och vrid rotera. Denna överraskande krympning i garnlängd när volymen ökar förklaras av garnets spiralformade struktur, som till sin struktur liknar fingermanschettleksaker som fångar ett barns fingrar när de är långsträckta, men frigör dem när de förkortas.
Det här är ett fotografi av en prototypblandare (med 3 mm breda kanaler) som kan nedskalas för mikrofluidapplikationer. Blandning av blå och gula vätskor gjordes med en paddel fäst i mitten av ett kolnanorörsgarn som var halvt nedsänkt i elektrolyt och roterat i motsatta riktningar genom att omväxlande applicera 0 V och -3 V på garnet. (B, C) Närbilder av paddeln och omgivande vätska före och under blandning, respektive. Upphovsman:Bild med tillstånd av University of Texas i Dallas
Naturen har använt torsionsrotation baserad på spirallindade muskler i hundratals miljoner år, och utnyttjar denna handling för sådana uppgifter som att vrida snabeln på elefanter och bläckfiskarlemmar. I dessa naturliga bilagor, spirallindade muskelfibrer orsakar rotation genom att dra ihop sig mot en väsentligen inkompressibel, benlös kärna. Å andra sidan, de spiralformigt lindade kolnanorören i nanorörsgarnen genomgår liten förändring i längd, utan istället orsakar volymen av flytande elektrolyt i det porösa garnet att öka under elektrokemisk laddning, så att torsionsrotation uppstår.
Kombinationen av mekanisk enkelhet, gigantiska vridningsrotationer, höga rotationshastigheter, och mikronstora garndiametrar är attraktiva för applikationer, såsom mikrofluidpumpar, ventiler, och blandare. I en vätskeblandare som demonstrerades av forskarna, ett garn med en diameter på 15 mikron roterade en 200 gånger större radie och 80 gånger tyngre skovel i strömmande vätskor med upp till ett varv per sekund.
"Upptäckten, karakterisering, och förståelse för dessa högpresterande torsionsmotorer visar kraften i internationella samarbeten", sa Ray H. Baughman, en motsvarande författare till författaren till Science-artikeln och Robert A. Welch professor i kemi och chef för University of Texas vid Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "Forskare från fyra universitet på tre olika kontinenter som föddes i åtta olika länder gjorde kritiskt viktiga bidrag."
