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  • Los investigadores crean poderosos músculos unipolares de nanotubos de carbono

    En un estudio publicado en línea el 28 de enero en la revista Science, Los investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colegas describen la creación de músculos del hilo electroquímico unipolar que se contraen más cuando se manejan más rápido. Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un músculo unipolar en espiral hecho de nanotubos de carbono y recubierto con poli (4-estirenosulfonato de sodio). El diámetro exterior de la bobina es de aproximadamente 140 micrones, aproximadamente el doble que un cabello humano. Crédito:Universidad de Texas en Dallas

    Durante más de 15 años, investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores en los EE. UU., Australia, Corea del Sur y China han fabricado músculos artificiales retorciendo y enrollando nanotubos de carbono o hilos de polímero. Cuando se alimenta térmicamente, estos músculos actúan contrayendo su longitud cuando se calientan y volviendo a su longitud inicial cuando se enfrían. Tales músculos artificiales impulsados ​​térmicamente, sin embargo, tienen limitaciones.

    Los músculos de nanotubos de carbono (CNT) impulsados ​​electroquímicamente proporcionan un enfoque alternativo para satisfacer la creciente necesidad de poderoso, Músculos artificiales de gran recorrido para aplicaciones que van desde la robótica y las bombas cardíacas hasta la transformación de ropa.

    "Los músculos impulsados ​​electroquímicamente son especialmente prometedores, dado que sus eficiencias de conversión de energía no están restringidas por el límite termodinámico del motor térmico de los músculos térmicos, y pueden mantener grandes golpes contráctiles mientras soportan cargas pesadas sin consumir mucha energía, "dijo el Dr. Ray Baughman, la Cátedra Distinguida Robert A. Welch en Química y directora del Instituto Alan G. MacDiarmid NanoTech en UT Dallas. "A diferencia de, Los músculos humanos y los músculos que funcionan térmicamente necesitan una gran cantidad de energía de entrada para soportar cargas pesadas, incluso cuando no se realizan trabajos mecánicos ".

    En un estudio publicado en línea el 28 de enero en la revista Ciencias , los investigadores describen la creación de poderosos, músculos del hilo electroquímico unipolar que se contraen más cuando se manejan más rápido, resolviendo así importantes problemas que han limitado las aplicaciones de estos músculos.

    Los músculos del hilo CNT accionados electroquímicamente se activan aplicando un voltaje entre el músculo y un contraelectrodo, que impulsa los iones de un electrolito circundante al músculo.

    Pero existen limitaciones para los músculos CNT electroquímicos. Primero, la actuación del músculo es bipolar, lo que significa que el movimiento muscular, ya sea expansión o contracción, cambia de dirección durante una exploración potencial. El potencial al que la carrera cambia de dirección es el potencial de carga cero, y la velocidad a la que el potencial cambia con el tiempo es la velocidad de exploración potencial.

    Otro problema:un electrolito dado es estable solo en un rango particular de voltajes. Fuera de este rango, el electrolito se descompone.

    "Los músculos del hilo anterior no pueden utilizar todo el rango de estabilidad del electrolito, "dijo Baughman, un autor correspondiente del estudio. "También, la capacitancia del músculo (su capacidad para almacenar la carga necesaria para la actuación) disminuye con el aumento de la frecuencia de exploración potencial, provocando que la carrera del músculo disminuya drásticamente al aumentar la tasa de actuación ".

    Para solucionar estos problemas, Los investigadores descubrieron que las superficies interiores de los hilos de nanotubos de carbono enrollados podrían recubrirse con un polímero conductor iónico adecuado que contenga grupos químicos cargados positiva o negativamente.

    "Este recubrimiento de polímero convierte el accionamiento bipolar normal de los hilos de nanotubos de carbono en un accionamiento unipolar, donde el músculo actúa en una dirección en todo el rango de estabilidad del electrolito, ", Dijo Baughman." Este comportamiento tan buscado tiene consecuencias sorprendentes que hacen que los músculos electroquímicos de nanotubos de carbono sean mucho más rápidos y poderosos ".

    Estudiante de doctorado en química Zhong Wang, un co-primer autor del estudio, explicó la ciencia subyacente:"El campo dipolar del polímero desplaza el potencial de carga cero, que es donde la carga electrónica en los nanotubos cambia de signo, hacia fuera del rango de estabilidad del electrolito. Por lo tanto, iones de un solo signo se inyectan electroquímicamente para compensar esta carga electrónica, y el movimiento del músculo cambia en una dirección en todo este rango de exploración potencial utilizable ".

    Dr. Jiuke Mu, profesor asociado de investigación en el UT Dallas NanoTech Institute y co-primer autor, dijo que el recubrimiento de polímero ayuda a resolver el problema de capacitancia de los músculos electroquímicos del hilo.

    "El número de moléculas de disolvente bombeadas al músculo por cada ion aumenta con el aumento de la velocidad de exploración potencial para algunos músculos unipolares, lo que aumenta el tamaño de iones efectivo que impulsa la actuación, "Mu dijo". el golpe muscular puede aumentar en un factor de 3.8 con el aumento de la frecuencia de exploración potencial, mientras que la carrera de los músculos del hilo de nanotubos de carbono sin el recubrimiento de polímero disminuye en un factor de 4.2 para los mismos cambios en la velocidad de exploración potencial ".

    Los avances proporcionan músculos unipolares electroquímicos que se contraen para generar una potencia mecánica de salida media máxima por peso muscular de 2,9 vatios / gramo. que es aproximadamente 10 veces la capacidad típica del músculo humano y aproximadamente 2,2 veces la capacidad de potencia normalizada en peso de un motor diesel V-8 turboalimentado.

    El recubrimiento de polímero utilizado para producir estos resultados fue poli (4-estirenosulfonato de sodio), que está aprobado para uso de drogas y lo suficientemente económico para su uso en ablandamiento de agua. La incorporación de este polímero invitado permitió el funcionamiento práctico de un músculo de nanotubos de carbono desde altas temperaturas hasta menos de 30 grados Celsius.

    Wang dijo que el equipo también descubrió que el comportamiento unipolar, sin trazos mejorados de velocidad de escaneo, podría obtenerse cuando se incorporaron nanoplaquetas de óxido de grafeno dentro del músculo del hilo mediante un proceso de biscrolling que los investigadores de UT Dallas crearon y patentaron.

    "El uso de este huésped para proporcionar los campos dipolares necesarios para el comportamiento unipolar aumentó la producción de potencia mecánica contráctil media máxima del músculo a unos notables 8,2 vatios / gramo, que es 29 veces la capacidad máxima de un músculo humano del mismo peso y aproximadamente 6,2 veces la de un motor diesel V-8 turboalimentado, "Dijo Wang.

    "También descubrimos que dos tipos diferentes de músculos del hilo unipolar, cada uno con trazos mejorados con velocidad de escaneo, se puede combinar para hacer un electrodo dual, músculo de hilo de estado sólido, eliminando así la necesidad de un baño de electrolito líquido, "Dijo Wang." Se utiliza un electrolito de estado sólido para interconectar lateralmente dos hilos de nanotubos de carbono enrollados que contienen diferentes huéspedes de polímero, uno tiene sustituyentes cargados negativamente y el otro tiene sustituyentes cargados positivamente. Ambos hilos se contraen durante la carga para contribuir aditivamente a la activación, debido a la inyección de iones positivos y negativos, respectivamente. Estos músculos unipolares de doble electrodo se tejieron para fabricar tejidos accionadores que podrían utilizarse para transformar la ropa ".


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