Onderzoekers creëren krachtige unipolaire koolstofnanobuisjes

Al meer dan 15 jaar hebben onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun medewerkers in de VS, Australië, Zuid-Korea en China kunstmatige spieren gemaakt door koolstofnanobuisjes of polymeergarens te draaien en op te rollen. Wanneer ze thermisch worden aangedreven, worden deze spieren geactiveerd door hun lengte samen te trekken wanneer ze worden verwarmd en terugkeren naar hun oorspronkelijke lengte wanneer ze worden afgekoeld. Dergelijke thermisch aangedreven kunstspieren hebben echter beperkingen.

Elektrochemisch aangedreven koolstofnanobuisjes (CNT) -spieren bieden een alternatieve benadering om te voldoen aan de groeiende behoefte aan snelle, krachtige kunstmatige spieren met een grote slag voor toepassingen variërend van robotica en hartpompen tot veranderende kleding.

“Elektrochemisch aangedreven spieren zijn bijzonder veelbelovend, aangezien hun energieomzettingsrendement niet wordt beperkt door de thermodynamische warmtemotorlimiet van thermische spieren, en ze grote samentrekkende bewegingen kunnen behouden terwijl ze zware belastingen ondersteunen zonder veel energie te verbruiken”, aldus Dr. Ray Baughman, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas. “Menselijke spieren en thermisch aangedreven spieren hebben daarentegen een grote hoeveelheid inputenergie nodig om zware lasten te dragen, zelfs als ze geen mechanisch werk uitvoeren.”

In een studie die op 28 januari online in het tijdschrift is geplaatst Wetenschap, beschrijven de onderzoekers het creëren van krachtige, unipolaire elektrochemische garenspieren die meer samentrekken wanneer ze sneller worden aangedreven, waardoor belangrijke problemen worden opgelost die de toepassingen voor deze spieren hebben beperkt.

Elektrochemisch aangedreven CNT-garenspieren worden geactiveerd door een spanning aan te leggen tussen de spier en een tegenelektrode, die ionen uit een omringende elektrolyt in de spier drijft.

Maar er zijn beperkingen aan elektrochemische CNT-spieren. Ten eerste is de spieractivering bipolair, wat betekent dat spierbeweging – hetzij uitzetting of contractie – van richting verandert tijdens een potentiële scan. De potentiaal waarmee de slag van richting verandert, is de potentiaal van nullading, en de snelheid waarmee de potentiaal in de loop van de tijd verandert, is de potentiële aftastsnelheid.

Nog een probleem: een bepaalde elektrolyt is alleen stabiel over een bepaald spanningsbereik. Buiten dit bereik breekt de elektrolyt af.

“Eerdere garenspieren kunnen niet het volledige stabiliteitsbereik van de elektrolyt gebruiken”, zegt Baughman, een corresponderende auteur van het onderzoek. “Ook neemt de capaciteit van de spier – het vermogen om de lading op te slaan die nodig is voor aandrijving – af met toenemende potentiële scansnelheid, waardoor de slag van de spier dramatisch afneemt bij toenemende aandrijvingssnelheid.”

Om deze problemen op te lossen, ontdekten de onderzoekers dat de binnenoppervlakken van opgerolde koolstofnanobuisjesgarens kunnen worden gecoat met een geschikt ionisch geleidend polymeer dat positief of negatief geladen chemische groepen bevat.

“Deze polymeercoating zet de normale bipolaire aandrijving van koolstofnanobuisjesgarens om in unipolaire aandrijving, waarbij de spier in één richting werkt over het hele stabiliteitsbereik van de elektrolyt,” zei Baughman. “Dit lang gezochte gedrag heeft verrassende gevolgen die de spieren van elektrochemische koolstofnanobuisjes veel sneller en krachtiger maken.”

Scheikunde-promovendus Zhong Wang, een co-eerste auteur van de studie, legde de onderliggende wetenschap uit: “Het dipolaire veld van het polymeer verschuift het potentieel van nullading – dat is waar de elektronische lading op de nanobuisjes van teken verandert – naar buiten de elektrolyt. stabiliteitsbereik. Daarom worden ionen van slechts één teken elektrochemisch geïnjecteerd om deze elektronische lading te compenseren, en de slag van de spier verandert in één richting over dit gehele bruikbare potentiële scanbereik. “

Dr. Jiuke Mu, universitair hoofddocent onderzoek aan het UT Dallas NanoTech Institute en een co-eerste auteur, zei dat de polymeercoating helpt bij het oplossen van het capaciteitsprobleem van elektrochemische garenspieren.

“Het aantal oplosmiddelmoleculen dat door elk ion in de spier wordt gepompt, neemt toe met toenemende potentiële scansnelheid voor sommige unipolaire spieren, waardoor de effectieve ionengrootte die de aandrijving aandrijft, toeneemt”, zei Mu. “Spierslag kan dus met een factor 3,8 toenemen met een toenemende potentiële scansnelheid, terwijl de slag van koolstof nanobuisjesgaren zonder de polymeercoating met een factor 4,2 afneemt bij dezelfde veranderingen in potentiële scansnelheid.”

De vorderingen zorgen voor elektrochemische unipolaire spieren die samentrekken om een ​​maximaal gemiddeld mechanisch uitgangsvermogen per spiergewicht van 2,9 watt / gram te genereren, wat ongeveer 10 keer het typische vermogen van menselijke spieren is en ongeveer 2,2 keer het gewicht-genormaliseerde vermogen van een turbocharged V -8 dieselmotor.

De polymeercoating die werd gebruikt om deze resultaten te produceren, was poly (natrium-4-styreensulfonaat), dat is goedgekeurd voor medicijngebruik en goedkoop genoeg is voor gebruik bij waterontharding. Door deze polymeergast op te nemen, kon een spier van koolstofnanobuisjes praktisch worden gebruikt bij hoge temperaturen tot onder de min 30 graden Celsius.

Wang zei dat het team ook ontdekte dat unipolair gedrag, zonder scansnelheid verbeterde slagen, kon worden verkregen wanneer grafeenoxide-nanoplaatjes werden opgenomen in de garenspier met behulp van een koekrolproces dat UT Dallas-onderzoekers hebben gemaakt en gepatenteerd.

Het gebruik van deze gast om de dipolaire velden te leveren die nodig zijn voor unipolair gedrag, verhoogde het maximale gemiddelde contractiele mechanische vermogen van de spier tot een opmerkelijke 8,2 watt / gram, wat 29 keer het maximale vermogen is van een menselijke spier met hetzelfde gewicht en ongeveer 6,2 keer die van een V-8-dieselmotor met turbocompressor, “zei Wang.

“ We ontdekten ook dat twee verschillende soorten unipolaire garenspieren, elk met scansnelheid-verbeterde slagen, kunnen worden gecombineerd om een ​​spier met dubbele elektrode te maken, die volledig in vaste toestand is, waardoor de behoefte aan een vloeibaar elektrolytbad overbodig is. ‘Zei Wang. “Een solid-state elektrolyt wordt gebruikt om lateraal twee opgerolde koolstof nanobuisjes garens met elkaar te verbinden die verschillende polymeergasten bevatten, de ene met negatief geladen substituenten en de andere met positief geladen substituenten. Beide garens trekken samen tijdens het laden om additief bij te dragen aan de aandrijving, vanwege de injectie van respectievelijk positieve en negatieve ionen. Deze unipolaire spieren met dubbele elektrode werden geweven om activerend textiel te maken dat kan worden gebruikt voor het veranderen van kleding. ”