Forskare vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och University of California, Berkeley, har utvecklat ett elegant och kraftfullt nytt mikroskala ställdon som kan böjas som ett litet vinkande finger. Baserat på ett oxidmaterial som expanderar och drar ihop sig dramatiskt som svar på en liten temperaturvariation, ställdonen är mindre än bredden på ett människohår och är lovande för mikrofluidik, drogleverans, och konstgjorda muskler.

"Vi tror att vår mikroaktuator är mer effektiv och kraftfull än någon nuvarande mikroskala aktiveringsteknik, inklusive mänskliga muskelceller, " säger Berkeley Lab och UC Berkeley-forskaren Junqiao Wu. "Och mer, den använder detta mycket intressanta material - vanadindioxid - och berättar mer om den grundläggande materialvetenskapen om fasövergångar."

Wu är motsvarande författare till en artikel som visas i Nanobokstäver denna månad som rapporterar dessa fynd, med titeln "Jätte-amplitud, Mikroaktuatorer med hög arbetsdensitet med fasövergångsaktiverade nanolagerbimorfer." Som ofta händer inom vetenskapen, Wu och hans kollegor kom fram till mikroaktuatoridén av en slump, medan du studerar ett annat problem.

Vanadindioxid är ett läroboksexempel på ett starkt korrelerat material, vilket betyder att varje elektrons beteende är oupplösligt bundet till dess närliggande elektroner. De resulterande exotiska elektroniska beteendena har gjort vanadindioxid till ett föremål för vetenskaplig granskning i årtionden, mycket av det fokuserade på ett ovanligt par fasövergångar.

När den värms upp över 67 grader Celsius, vanadindioxid omvandlas från en isolator till en metall, åtföljs av en strukturell fasövergång som krymper materialet i en dimension samtidigt som det expanderar i de andra två. I årtionden, forskare har diskuterat om en av dessa fasövergångar driver den andra eller om de är separata fenomen som av en slump inträffar vid samma temperatur.

Wu belyser denna fråga i tidigare arbete publicerat i Fysiska granskningsbrev , där han och hans kollegor isolerade de två fasövergångarna i enkristallinanotrådar av vanadindioxid och visade att de är separerbara och kan drivas oberoende. Teamet stötte på svårigheter med experimenten, dock, när nanotrådarna bröt sig loss från sina elektrodkontakter under den strukturella fasövergången.

"Vid övergången, en 100 mikron lång tråd krymper med cirka 1 mikron, som lätt kan bryta kontakten, säger Wu, som har en dubbel utnämning som professor vid UC Berkeleys institution för materialvetenskap och teknik. "Så vi började ställa frågan:det här är dåligt, men kan vi göra något bra av det? Och aktivering är den naturliga tillämpningen."

För att dra fördel av krympningen, forskarna tillverkade en fristående remsa av vanadindioxid med ett krommetallskikt ovanpå. När remsan värms upp via en liten elektrisk ström eller en blixt av laserljus, vanadindioxiden drar ihop sig och hela remsan böjs som ett finger.

"Förskjutningen av vår mikroaktuator är enorm, säger Wu, "Tiotals mikron för en manöverdonslängd i samma storleksordning - mycket större än vad du kan få med en piezoelektrisk anordning - och samtidigt med mycket stor kraft. Jag är mycket optimistisk att denna teknik kommer att bli konkurrenskraftig till piezoelektrisk teknik, och kan till och med ersätta den."

Piezoelektriska ställdon är industristandarden för mekanisk aktivering på mikroskala, men de är komplicerade att växa, behöver stora spänningar för små förskjutningar, och involverar vanligtvis giftiga material såsom bly. "Men vår enhet är väldigt enkel, materialet är giftfritt, och förskjutningen är mycket större vid en mycket lägre drivspänning, " säger Wu. "Du kan se den röra sig med ett optiskt mikroskop! Och det fungerar lika bra i vatten, vilket gör den lämplig för biologiska och mikrofluidiska tillämpningar."

Forskarna föreställer sig att använda mikroaktuatorerna som små pumpar för läkemedelstillförsel eller som mekaniska muskler i robotar i mikroskala. I dessa applikationer, ställdonets exceptionellt höga arbetsdensitet – kraften den kan leverera per volymenhet – ger en stor fördel. Uns för uns, vanadin-dioxidställdonen levererar en kraft som är tre storleksordningar större än mänsklig muskel. Wu och hans kollegor samarbetar redan med Berkeley Sensing and Actuation Center för att integrera sina ställdon i enheter för applikationer som strålningsdetekteringsrobotar för farliga miljöer.

Teamets nästa mål är att skapa ett torsionsställdon, vilket är ett mycket mer utmanande perspektiv. Wu förklarar:"Torsionsställdon involverar vanligtvis en komplicerad konstruktion av växlar, axlar och/eller remmar, och så miniatyrisering är en utmaning. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."