Los actuadores son dispositivos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica, como el dispositivo a batería dentro de un teléfono celular que hace que el teléfono vibre. Cuando este proceso se invierte, cuando un dispositivo convierte la energía mecánica en energía eléctrica, el dispositivo se denomina recolector de energía, y que la energía eléctrica a menudo se almacena para uso futuro. Un ejemplo sería un dispositivo dentro de un marcapasos que convierte la energía mecánica creada por el movimiento de un par de pulmones que respiran en energía eléctrica que puede usarse para cargar las baterías del marcapasos.

Ambos dispositivos suelen contener materiales electromecánicos, como polímeros electroactivos, que están formadas por moléculas en forma de cadena que cambian de tamaño o forma cuando son estimuladas por un campo eléctrico. Pero su eficiencia y velocidad dependen de la rapidez con que los iones, o partículas cargadas eléctricamente, puede moverse entre electrodos, o los conductores por los que pasa la corriente eléctrica, para cambiar el tamaño o la forma del polímero. Los iones más rápidos pueden moverse entre electrodos, cuanto más conductividad iónica tendrán esos electrodos y más sensible será el material al campo eléctrico. Aunque estos polímeros suelen contener nanopartículas que se dispersan aleatoriamente por todo el material para hacerlo conductivo, esto ralentiza los iones forzándolos a viajar en zigzag alrededor de las diminutas partículas.

Recientemente, un investigador del MIT colaboró ​​con un equipo de ingenieros eléctricos de la Universidad Estatal de Pensilvania para idear una nueva forma de que los iones viajen más rápidamente entre electrodos que en los polímeros tradicionales. Brian L. Wardle, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica, y sus colegas diseñaron electrodos que contienen nanotubos de carbono alineados:diminutos, cilindros huecos hechos de átomos de carbono - para ser utilizados en un polímero electroactivo. Como informan en un artículo que se publicará el 8 de octubre en Materiales funcionales avanzados , esta alineación creó "carriles rápidos" que permitieron a los iones viajar más rápidamente entre los electrodos. Específicamente, los investigadores estiman que la conductividad iónica de estos electrodos es aproximadamente un orden de magnitud mayor que la de los electrodos en polímeros que contienen nanopartículas dispersas al azar.

Wardle y sus colegas, incluido Qiming M. Zhang, profesor de ingeniería eléctrica en Penn State, y el autor principal Sheng Liu, uno de los estudiantes de posgrado de Zhang, demostró que los electrodos alineados de nanotubos de carbono pueden mejorar el rendimiento de los iones en un actuador, lo que significa que podrían optimizarse para aplicaciones como músculos artificiales y robots.

Los investigadores afirman que los dispositivos podrían usarse como recolectores de energía a través de un proceso de conversión inversa. Existe un gran interés en el desarrollo de recolectores de energía para aplicaciones a gran escala, como para crear energía eléctrica a partir del movimiento del viento o de las olas del océano, Wardle dice. Los dispositivos también podrían usarse para alimentar vastas redes de sensores microscópicos en áreas de difícil acceso como tuberías subterráneas.

Creación compuesta

El objetivo de los investigadores era diseñar un compuesto que pudiera funcionar como un electrodo superior. Al calentar gas natural y exponerlo a un catalizador metálico, Wardle y varios de sus estudiantes graduados cultivaron los nanotubos de carbono conductores de electricidad y vertieron un polímero mezclado en un solvente sobre ellos. Una vez que el solvente se evaporó, dejó atrás un sólido, compuesto poroso de iones que contiene polímeros y nanotubos de carbono. Luego, los investigadores usaron este compuesto para crear una estructura compuesta por una capa de polímero puro (para actuar como aislante) que contiene iones positivos y negativos intercalados entre dos capas del compuesto hecho de polímero y nanotubos de carbono (para actuar como electrodos). .

Para probar las capacidades del actuador de la estructura, los investigadores aplicaron un campo eléctrico de bajo voltaje. Este voltaje hizo que los iones fluyeran de una capa de electrodo a la otra, lo que resultó en un lado de la estructura que contiene más iones. Este desequilibrio de iones generó suficiente presión para hacer que toda la estructura se doblara, creando así energía mecánica. El experimento también reveló que el diseño del electrodo compuesto ayudó a minimizar la resistencia eléctrica.

Los investigadores creen que el mismo dispositivo podría usarse como recolector de energía si se somete a tensión mecánica. como por compresión. Eso es porque la compresión haría que los iones se movieran de manera diferente, lo que provocaría una carga eléctrica desequilibrada. Esta, Sucesivamente, crearía una diferencia de voltaje y produciría un flujo de electricidad.

Optimización del diseño

Yoseph Bar-Cohen, un científico investigador senior en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, dice que el estudio demuestra una mejora de los polímeros iónicos. Pero siente curiosidad por la respuesta del dispositivo durante períodos de tiempo más largos, señalando que el estudio actual se limitó a solo un experimento de 10 minutos.

A medida que desarrollan estos electrodos, Wardle y sus colaboradores están tratando de determinar un diseño óptimo. Ahora que han demostrado cuán efectivos son los nanotubos de carbono para la eficiencia de los electrodos, están explorando ciertos detalles que podrían permitir un rendimiento óptimo, como el espacio entre los tubos diminutos.