 |
| Αυτή η εικόνα που είναι από σάρωση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου είναι από ένας συνεστραμμένος, νανοσωλήνας από ανθρακονήματα. (Ευγένεια: Επιστήμη / AAAS). |
Μια πολυεθνική ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Ray Baughman από το Πανεπιστήμιο του Τέξας στο Ντάλας έχει αναπτύξει ένα νέο είδος τεχνητών μυών που γίνεται από "νήμα" συνεστραμμένου νανοσωλήνα άνθρακα, που εγχύεται με κερί.
Οι νέες δομές είναι διαφορετικές από προηγούμενες στο ότι δεν χρειάζονται κάποιο εξωτερικό ηλεκτρολύτη για να λειτουργήσουν. Οι μύες μπορούν να ανυψώσουν περισσότερο από 100,000 φορές το βάρος τους, μπορούν να συσταλούν και να διασταλούν εξαιρετικά γρήγορα και μπορούν να λειτουργήσουν σε ευρεία περιοχή θερμοκρασιών. Αυτές οι ιδιότητες μπορεί να τα καθιστούν ιδανικά για χρήση σε μια σειρά μελλοντικών εφαρμογών, όπως ανθρωποειδή ρομπότ, νοήμονα υφάσματα και προηγμένους περιστροφικούς κινητήρες.
Η ομάδα έκανε τους τεχνητούς μεις με την ανάπτυξη κάθετα ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων άνθρακα. Πρόκειται για κούφιους κυλίνδρους από εξηλασμένα φύλλα άνθρακα με πάχος τόσο λεπτό όσο ένα μόνο άτομο. Οι ερευνητές στη συνέχεια έστησαν ένα λεπτό φύλλο από δέσμες νανοσωλήνων και το έστριψαν αυτό το φύλλο για να κάνουν ένα νήμα, που περιέχει έλικες από συνεστραμένους νανοσωλήνες άνθρακα. Στη συνέχεια, το νήμα εγχέεται με τετηγμένο κερί παραφίνης.
Κάθε άκρο ενός νήματος στη συνέχεια συνδέεται με μία παροχή ρεύματος. Όταν εφαρμόζεται τάση, ο κηρός θερμαίνεται και διαστέλλεται. Η πίεση στη συνέχεια που παράγεται από αυτή την διαστολή προκαλεί την συστροφή του νήματος και μερική χαλάρωση, η οποία δημιουργεί περιστρεφόμενη δράση παρόμοια με αυτή που παρατηρείται όταν τεντώνουμε ένα ελικοειδές ελατήριο. Το νήμα περιστρέφεται στην αντίθετη κατεύθυνση, καθώς ο κηρός ψύχεται. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ιδανικοί για την κατασκευή τέτοιων νημάτων - τα φύλλα είναι σχεδόν τόσο ελαφριά σαν αέρας (που έχουν πυκνότητα της τάξης των μόλις 1,5 mg/cm3), αλλά είναι ισχυρότερα από το χάλυβα, με μια συγκεκριμένη δύναμη που μπορεί να φτάσει 560 εκατοστά MPa 3/g.
Απλοποιημένη σχεδίαση
Τα προηγούμενα σχέδια τεχνητών μυών λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο, αλλά βασίζονται σε νανοσωλήνες που είναι βυθισμένοι σε ένα υγρό ηλεκτρολύτη. Η χρήση του κηρού διανέμει αποτελεσματικά την ανάγκη για ένα τέτοιο εξωτερικό αγώγιμο υγρό, οπότε, απλοποιώντας το σχεδιασμό των μυών σε μεγάλο βαθμό, εξηγεί ο Baughman.
"Η στρεπτική δράση του νήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιστροφή ενός συνημμένο πτερύγιο σε μια μέση ταχύτητα 11.500 περιστροφών ανά λεπτό για περισσότερο από δύο εκατομμύρια κύκλους," λέει. "Οι νανοδομές στις οποίες εγχυθεί κερί μπορούν επίσης να σηκώσουν περισσότερο από 100.000 φορές το βάρος τους και μπορούν να παράγουν 85 φορές περισσότερο μηχανική ισχύ από ότι συστέλλεται ένας φυσικός μυς ίδιου μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι είναι σε θέση να σηκώνει βάρη 200 φορές βαρύτερα από αυτά που μπορεί να σηκώσει ένας φυσικός μυς ίδιας διαμέτρου."
Καλό ακόμα και χωρίς κερί
Η συστροφή νήματος νανοσωλήνων αυξάνει τον συντελεστή θερμικής διαστολής κατά 10 φορές, ακόμη και χωρίς την έγχυση κεριού, προσθέτει. "Αυτή η θερμική διαστολή είναι αρνητική, γεγονός που σημαίνει στα κοινά νήματα καθώς θερμαίνονται. Πράγματι, η θέρμανση του νήματος σε μια αδρανή ατμόσφαιρα από θερμοκρασία δωματίου έως περίπου 2500 ° C (μία θερμοκρασία πολύ υψηλότερη από το σημείο τήξης του χάλυβα) παρέχει περισσότερη από 7% συρρίκνωση κατά την ανύψωση βαρέων φορτίων -. κάτι που δεν έχει υπάρξει ποτέ πριν για την εν λόγω εργασία από κινητήρες υψηλής απόδοσης."
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η υψηλή θερμική διαστολή για τα συνεστραμένα νήματα σημαίνει ότι θα μπορούσε να είναι ιδανική για χρήση σε νοήμονα υφάσματα, που θα λειτουργούν μεταξύ -50 και 2500 ° C. Τέτοια υφάσματα θα είναι σε θέση να προσαρμοστούν στις ανάγκες του χρήστη, παρέχοντας προστασία σε ψυχρές συνθήκες, για παράδειγμα, με το να γίνουν λιγότερο πορώδη με την ψύξη του φορέαι. Λαμβάνοντας αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα θα μπορούσε να επιφέρει την ενσωμάτωση των μυών από νήματα σε αθλητικά και ίσως ακόμη και πυροσβεστικά ρούχα. Οι τεχνητοί μύες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα μικρορευστότητας όπως αντλίες και βαλβίδες για τη ρύθμιση και ακόμη και σε νέες εφαρμογές όπως περσίδες παραθύρων, που ανοίγουν και κλείνουν σε απόκριση στις θερμοκρασίες περιβάλλοντος.
"Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν έσω καθετήρες για χειρουργική μικρών επεμβάσεων, νανοεκκινητές και κινητήρες στο μέλλον μικρομηχανές, φακούς zoom για ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, ανθρωποειδή στη ρομποτική, προσθετικά και εξωσκελετικά" λέει ο Baughman.
Δυνατότητα για πρόωρη εμπορευματοποίηση
Αυτές οι υποθέσεις δεν μπορεί να είναι μόνο μακρινά όνειρα, επειδή οι ερευνητές έχουν ήδη καταφέρει να παράγουν νήματα μήκους χιλιομέτρων. "Από εφαρμογές που απαιτούν μόνο μήκη νήματος μερικών εκατοστών, σημαίνει ότι η έγκαιρη εμπορική αξιοποίηση του υλικού αυτού δεν θα πρέπει να αποτελεί πρόβλημα", λέει ο Baughman. "Αυτό που θα είναι δύσκολο, όμως, είναι να κλιμακώσουμε τη παραγωγή από μονό-νήματα σε μεγαλύτερα στα οποία θα λειτουργούν παράλληλα εκατοντάδες ή και χιλιάδες μεμονωμένοι μεις."
Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει επιστήμονες από την Αυστραλία, την Κίνα, τη Νότια Κορέα, τον Καναδά και τη Βραζιλία, είναι τώρα απασχολημένη στην επίδειξη νέων εφαρμογών για τα απλά νήματα μυών. Επίσης, προσπαθεί να αναπτύξει μεγάλους μυς που θα αποτελούνται από συστοιχίες ινών, όπως εκείνες που βρίσκονται στους φυσικούς τους σκελετικούς μεις.
Η εργασία αυτή περιγράφεται στο Science.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Η ομάδα έκανε τους τεχνητούς μεις με την ανάπτυξη κάθετα ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων άνθρακα. Πρόκειται για κούφιους κυλίνδρους από εξηλασμένα φύλλα άνθρακα με πάχος τόσο λεπτό όσο ένα μόνο άτομο. Οι ερευνητές στη συνέχεια έστησαν ένα λεπτό φύλλο από δέσμες νανοσωλήνων και το έστριψαν αυτό το φύλλο για να κάνουν ένα νήμα, που περιέχει έλικες από συνεστραμένους νανοσωλήνες άνθρακα. Στη συνέχεια, το νήμα εγχέεται με τετηγμένο κερί παραφίνης.
Κάθε άκρο ενός νήματος στη συνέχεια συνδέεται με μία παροχή ρεύματος. Όταν εφαρμόζεται τάση, ο κηρός θερμαίνεται και διαστέλλεται. Η πίεση στη συνέχεια που παράγεται από αυτή την διαστολή προκαλεί την συστροφή του νήματος και μερική χαλάρωση, η οποία δημιουργεί περιστρεφόμενη δράση παρόμοια με αυτή που παρατηρείται όταν τεντώνουμε ένα ελικοειδές ελατήριο. Το νήμα περιστρέφεται στην αντίθετη κατεύθυνση, καθώς ο κηρός ψύχεται. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ιδανικοί για την κατασκευή τέτοιων νημάτων - τα φύλλα είναι σχεδόν τόσο ελαφριά σαν αέρας (που έχουν πυκνότητα της τάξης των μόλις 1,5 mg/cm3), αλλά είναι ισχυρότερα από το χάλυβα, με μια συγκεκριμένη δύναμη που μπορεί να φτάσει 560 εκατοστά MPa 3/g.
Απλοποιημένη σχεδίαση
Τα προηγούμενα σχέδια τεχνητών μυών λειτουργούν με παρόμοιο τρόπο, αλλά βασίζονται σε νανοσωλήνες που είναι βυθισμένοι σε ένα υγρό ηλεκτρολύτη. Η χρήση του κηρού διανέμει αποτελεσματικά την ανάγκη για ένα τέτοιο εξωτερικό αγώγιμο υγρό, οπότε, απλοποιώντας το σχεδιασμό των μυών σε μεγάλο βαθμό, εξηγεί ο Baughman.
"Η στρεπτική δράση του νήματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την περιστροφή ενός συνημμένο πτερύγιο σε μια μέση ταχύτητα 11.500 περιστροφών ανά λεπτό για περισσότερο από δύο εκατομμύρια κύκλους," λέει. "Οι νανοδομές στις οποίες εγχυθεί κερί μπορούν επίσης να σηκώσουν περισσότερο από 100.000 φορές το βάρος τους και μπορούν να παράγουν 85 φορές περισσότερο μηχανική ισχύ από ότι συστέλλεται ένας φυσικός μυς ίδιου μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι είναι σε θέση να σηκώνει βάρη 200 φορές βαρύτερα από αυτά που μπορεί να σηκώσει ένας φυσικός μυς ίδιας διαμέτρου."
Καλό ακόμα και χωρίς κερί
Η συστροφή νήματος νανοσωλήνων αυξάνει τον συντελεστή θερμικής διαστολής κατά 10 φορές, ακόμη και χωρίς την έγχυση κεριού, προσθέτει. "Αυτή η θερμική διαστολή είναι αρνητική, γεγονός που σημαίνει στα κοινά νήματα καθώς θερμαίνονται. Πράγματι, η θέρμανση του νήματος σε μια αδρανή ατμόσφαιρα από θερμοκρασία δωματίου έως περίπου 2500 ° C (μία θερμοκρασία πολύ υψηλότερη από το σημείο τήξης του χάλυβα) παρέχει περισσότερη από 7% συρρίκνωση κατά την ανύψωση βαρέων φορτίων -. κάτι που δεν έχει υπάρξει ποτέ πριν για την εν λόγω εργασία από κινητήρες υψηλής απόδοσης."
Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτή η υψηλή θερμική διαστολή για τα συνεστραμένα νήματα σημαίνει ότι θα μπορούσε να είναι ιδανική για χρήση σε νοήμονα υφάσματα, που θα λειτουργούν μεταξύ -50 και 2500 ° C. Τέτοια υφάσματα θα είναι σε θέση να προσαρμοστούν στις ανάγκες του χρήστη, παρέχοντας προστασία σε ψυχρές συνθήκες, για παράδειγμα, με το να γίνουν λιγότερο πορώδη με την ψύξη του φορέαι. Λαμβάνοντας αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα θα μπορούσε να επιφέρει την ενσωμάτωση των μυών από νήματα σε αθλητικά και ίσως ακόμη και πυροσβεστικά ρούχα. Οι τεχνητοί μύες θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα μικρορευστότητας όπως αντλίες και βαλβίδες για τη ρύθμιση και ακόμη και σε νέες εφαρμογές όπως περσίδες παραθύρων, που ανοίγουν και κλείνουν σε απόκριση στις θερμοκρασίες περιβάλλοντος.
"Άλλες πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν έσω καθετήρες για χειρουργική μικρών επεμβάσεων, νανοεκκινητές και κινητήρες στο μέλλον μικρομηχανές, φακούς zoom για ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, ανθρωποειδή στη ρομποτική, προσθετικά και εξωσκελετικά" λέει ο Baughman.
Δυνατότητα για πρόωρη εμπορευματοποίηση
Αυτές οι υποθέσεις δεν μπορεί να είναι μόνο μακρινά όνειρα, επειδή οι ερευνητές έχουν ήδη καταφέρει να παράγουν νήματα μήκους χιλιομέτρων. "Από εφαρμογές που απαιτούν μόνο μήκη νήματος μερικών εκατοστών, σημαίνει ότι η έγκαιρη εμπορική αξιοποίηση του υλικού αυτού δεν θα πρέπει να αποτελεί πρόβλημα", λέει ο Baughman. "Αυτό που θα είναι δύσκολο, όμως, είναι να κλιμακώσουμε τη παραγωγή από μονό-νήματα σε μεγαλύτερα στα οποία θα λειτουργούν παράλληλα εκατοντάδες ή και χιλιάδες μεμονωμένοι μεις."
Η ομάδα, η οποία περιλαμβάνει επιστήμονες από την Αυστραλία, την Κίνα, τη Νότια Κορέα, τον Καναδά και τη Βραζιλία, είναι τώρα απασχολημένη στην επίδειξη νέων εφαρμογών για τα απλά νήματα μυών. Επίσης, προσπαθεί να αναπτύξει μεγάλους μυς που θα αποτελούνται από συστοιχίες ινών, όπως εκείνες που βρίσκονται στους φυσικούς τους σκελετικούς μεις.
Η εργασία αυτή περιγράφεται στο Science.
Πηγή, physicsworld
Απόδοση, Δημήτρης Γιάκας
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου