Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab) y la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un nuevo y elegante actuador a microescala que puede flexionarse como un pequeño dedo que hace señas. Basado en un material de óxido que se expande y contrae drásticamente en respuesta a una pequeña variación de temperatura, los actuadores son más pequeños que el ancho de un cabello humano y son prometedores para los microfluidos, entrega de medicamentos, y músculos artificiales.

"Creemos que nuestro microaccionador es más eficiente y potente que cualquier tecnología de actuación a microescala actual, incluidas las células musculares humanas, ", dice el científico Junqiao Wu de Berkeley Lab y UC Berkeley." Además, utiliza este material muy interesante, dióxido de vanadio, y nos dice más sobre la ciencia fundamental de los materiales de las transiciones de fase ".

Wu es el autor correspondiente de un artículo que aparece en Nano letras este mes que informa estos hallazgos, titulado "Giant-Amplitude, Microactuadores de alta densidad de trabajo con bimorfos de nanocapa activados por transición de fase ". Como suele ocurrir en la ciencia, Wu y sus colegas llegaron a la idea del microaccionador por accidente, mientras estudia un problema diferente.

El dióxido de vanadio es un ejemplo de libro de texto de un material fuertemente correlacionado, lo que significa que el comportamiento de cada electrón está indisolublemente ligado a sus electrones vecinos. Los comportamientos electrónicos exóticos resultantes han hecho del dióxido de vanadio un objeto de escrutinio científico durante décadas. gran parte de ella se centró en un par inusual de transiciones de fase.

Cuando se calienta a más de 67 grados Celsius, el dióxido de vanadio se transforma de un aislante a un metal, acompañado de una transición de fase estructural que encoge el material en una dimensión mientras se expande en las otras dos. Por décadas, Los investigadores han debatido si una de estas transiciones de fase impulsa a la otra o si son fenómenos separados que ocurren casualmente a la misma temperatura.

Wu arrojó luz sobre esta cuestión en un trabajo anterior publicado en Cartas de revisión física , en el que él y sus colegas aislaron las dos transiciones de fase en nanocables monocristalinos de dióxido de vanadio y demostraron que son separables y se pueden conducir de forma independiente. El equipo tuvo dificultades con los experimentos, sin embargo, cuando los nanocables se separaron de los contactos de sus electrodos durante la transición de fase estructural.

"En la transición, un cable de 100 micrones de largo se contrae aproximadamente 1 micrón, que puede romper fácilmente el contacto, "dice Wu, quien tiene un doble nombramiento como profesor en el departamento de Ciencias e Ingeniería de Materiales de UC Berkeley. "Entonces comenzamos a hacer la pregunta:esto es malo, pero, ¿podemos sacar algo bueno de ello? Y la actuación es la aplicación natural ".

Para aprovechar la contracción, los investigadores fabricaron una tira independiente de dióxido de vanadio con una capa de metal de cromo en la parte superior. Cuando la tira se calienta mediante una pequeña corriente eléctrica o un destello de luz láser, el dióxido de vanadio se contrae y toda la tira se dobla como un dedo.

"El desplazamiento de nuestro microaccionador es enorme, "dice Wu, "decenas de micrones para una longitud de actuador en el mismo orden de magnitud, mucho más grande de lo que se puede obtener con un dispositivo piezoeléctrico, y simultáneamente con una fuerza muy grande. Soy muy optimista de que esta tecnología se volverá competitiva con la tecnología piezoeléctrica, e incluso puede reemplazarlo ".

Los actuadores piezoeléctricos son el estándar de la industria para el accionamiento mecánico en microescalas, pero son complicados de crecer, necesitan grandes voltajes para pequeños desplazamientos, y normalmente implican materiales tóxicos como el plomo. "Pero nuestro dispositivo es muy simple, el material no es tóxico, y el desplazamiento es mucho mayor a un voltaje de conducción mucho más bajo, "dice Wu." ¡Puedes verlo moverse con un microscopio óptico! Y funciona igualmente bien en agua, haciéndolo adecuado para aplicaciones biológicas y microfluídicas ".

Los investigadores imaginan el uso de microactuadores como pequeñas bombas para la administración de fármacos o como músculos mecánicos en robots a microescala. En esas aplicaciones, La densidad de trabajo excepcionalmente alta del actuador, la potencia que puede entregar por unidad de volumen, ofrece una gran ventaja. Onza por onza los actuadores de dióxido de vanadio generan una fuerza tres órdenes de magnitud mayor que la del músculo humano. Wu y sus colegas ya se están asociando con Berkeley Sensing and Actuation Center para integrar sus actuadores en dispositivos para aplicaciones como robots de detección de radiación para entornos peligrosos.

El próximo objetivo del equipo es crear un actuador de torsión, que es una perspectiva mucho más desafiante. Wu explica:"Los actuadores de torsión normalmente implican un diseño complicado de engranajes, ejes y / o correas, and so miniaturization is a challenge. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."