Esta es una imagen de micrografía electrónica de barrido de un hilo de nanotubos de carbono de 3,8 micrones de diámetro que funciona como un músculo de torsión cuando se llena con un líquido conductor iónico y se carga electroquímicamente. El ángulo alfa indica la desviación entre la orientación de los nanotubos y la dirección del hilo para este hilo helicoidal. Crédito:Imagen cortesía de la Universidad de Texas en Dallas.
Nuevos músculos artificiales que se retuercen como la trompa de un elefante, pero proporcionan una rotación mil veces mayor por longitud, fueron anunciados el 13 de octubre para una publicación en Ciencias revista de un equipo de investigadores de la Universidad de Texas en Dallas, La Universidad de Wollongong en Australia, La Universidad de Columbia Británica en Canadá, y la Universidad de Hanyang en Corea.
Estos músculos a base de hilos de nanotubos de carbono, acelerar una paleta 2000 veces más pesada hasta 590 revoluciones por minuto en 1,2 segundos, y luego invierta esta rotación cuando se cambie el voltaje aplicado. La rotación demostrada de 250 por milímetro de longitud muscular es más de mil veces la de los músculos artificiales anteriores, que se basan en ferroeléctricos, aleaciones con memoria de forma, o polímeros orgánicos conductores. La potencia de salida por peso de hilo es comparable a la de los grandes motores eléctricos, y el rendimiento de peso normalizado de estos motores eléctricos convencionales se degrada gravemente cuando se reducen a una escala milimétrica.
Estos músculos explotan fuerte difícil, hilos altamente flexibles de nanotubos de carbono, que consisten en cilindros de carbono a nanoescala que son diez mil veces más pequeños en diámetro que un cabello humano. Importante para el éxito estos nanotubos se hilan en hilos helicoidales, lo que significa que tienen versiones para diestros y zurdos (como nuestras manos), dependiendo de la dirección de rotación durante la torsión de los nanotubos para hacer hilo. La rotación es torsional, lo que significa que la torsión se produce en una dirección hasta que se produce una rotación limitante, y luego la rotación se puede invertir cambiando el voltaje aplicado. Los hilos de la mano izquierda y derecha giran en direcciones opuestas cuando se cargan eléctricamente, pero en ambos casos el efecto de la carga es desenroscar parcialmente el hilo.
Esta es una ilustración de una celda electroquímica llena de electrolito que se utiliza para caracterizar la actuación de torsión y tracción de un músculo de nanotubos de carbono, donde el electrodo de referencia opcional, el electrodo de hilo de nanotubos de accionamiento, y los contraelectrodos son de izquierda a derecha. La actuación de torsión hace girar la paleta unida al hilo de nanotubos. Crédito:Imagen cortesía de la Universidad de Texas en Dallas.
A diferencia de los motores convencionales, cuya complejidad los hace difíciles de miniaturizar, Los músculos de nanotubos de carbono de torsión son fáciles de construir de forma económica en longitudes muy largas o milimétricas. Los motores de torsión de nanotubos constan de un electrodo de hilo y un contraelectrodo, que se sumergen en un líquido iónicamente conductor. Una batería de bajo voltaje puede servir como fuente de energía, lo que permite que la carga y descarga electroquímicas del hilo proporcionen una rotación torsional en direcciones opuestas. En el caso más simple, los investigadores colocan una paleta en el hilo de nanotubos, que permite la rotación torsional para realizar un trabajo útil, como mezclar líquidos en "chips de microfluidos" utilizados para análisis y detección químicos.
El mecanismo de rotación torsional es notable. Cargar los hilos de nanotubos es como cargar un supercondensador:los iones migran a los hilos para equilibrar electrostáticamente la carga electrónica inyectada eléctricamente en los nanotubos. Aunque los hilos son porosos, esta afluencia de iones hace que el hilo aumente de volumen, reducir su longitud hasta en un porcentaje, y rotar torsionalmente. Esta sorprendente contracción en la longitud del hilo a medida que aumenta su volumen se explica por la estructura helicoidal del hilo, que es similar en estructura a los juguetes con manguitos para los dedos que atrapan los dedos de un niño cuando se alargan, pero los libera cuando se acortan.
Esta es una fotografía de un prototipo de mezclador (con canales de 3 mm de ancho) que se puede reducir para aplicaciones de microfluidos. La mezcla de líquidos azul y amarillo se realizó mediante una paleta unida al centro de un hilo de nanotubos de carbono que se sumergió a la mitad en electrolito y se hizo girar en direcciones opuestas aplicando alternativamente 0 V y -3 V al hilo. (B, C) Fotografías de cerca de la paleta y el líquido circundante antes y durante la mezcla, respectivamente. Crédito:Imagen cortesía de la Universidad de Texas en Dallas.
La naturaleza ha utilizado la rotación torsional basada en músculos enrollados helicoidalmente durante cientos de millones de años. y explota esta acción para tareas tales como retorcer las trompas de elefantes y miembros de pulpo. En estos apéndices naturales, Las fibras musculares enrolladas helicoidalmente provocan la rotación al contraerse contra una estructura esencialmente incompresible. núcleo sin huesos. Por otra parte, los nanotubos de carbono enrollados helicoidalmente en los hilos de nanotubos están experimentando pocos cambios de longitud, sino que están provocando que el volumen de electrolito líquido dentro del hilo poroso aumente durante la carga electroquímica, de modo que se produzca la rotación torsional.
La combinación de simplicidad mecánica, rotaciones de torsión gigantes, altas tasas de rotación, y los diámetros de hilo de tamaño micrométrico son atractivos para aplicaciones, como bombas de microfluidos, accionamientos de válvulas, y mezcladores. En un mezclador fluídico demostrado por los investigadores, un hilo de 15 micrones de diámetro giraba un radio 200 veces más grande y una paleta 80 veces más pesada en líquidos que fluían hasta una rotación por segundo.
"El descubrimiento, caracterización, y la comprensión de estos motores torsionales de alto rendimiento demuestra el poder de las colaboraciones internacionales ", dijo Ray H. Baughman, autor correspondiente del autor del artículo de Science y profesor de química Robert A. Welch y director de la Universidad de Texas en Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "Investigadores de cuatro universidades en tres continentes diferentes que nacieron en ocho países diferentes hicieron contribuciones de importancia crítica".
