Il s'agit d'une image de micrographie électronique à balayage d'un fil de nanotube de carbone de 3,8 microns de diamètre qui fonctionne comme un muscle de torsion lorsqu'il est rempli d'un liquide conducteur ionique et chargé électrochimiquement. L'angle alpha indique l'écart entre l'orientation du nanotube et la direction du fil pour ce fil hélicoïdal. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Université du Texas à Dallas
De nouveaux muscles artificiels qui se tordent comme la trompe d'un éléphant, mais offrent une rotation mille fois plus élevée par longueur, ont été annoncés le 13 octobre pour une publication dans Science magazine par une équipe de chercheurs de l'Université du Texas à Dallas, L'Université de Wollongong en Australie, L'Université de la Colombie-Britannique au Canada, et l'Université Hanyang en Corée.
Ces muscles, à base de fils de nanotubes de carbone, accélérer une pagaie 2000 fois plus lourde jusqu'à 590 tours par minute en 1,2 seconde, puis inverser cette rotation lorsque la tension appliquée est modifiée. La rotation démontrée de 250 par millimètre de longueur musculaire est mille fois supérieure à celle des muscles artificiels précédents, qui sont à base de ferroélectrique, alliages à mémoire de forme, ou des polymères organiques conducteurs. La puissance de sortie par poids de fil est comparable à celle des gros moteurs électriques, et les performances de poids normalisé de ces moteurs électriques conventionnels se dégradent sévèrement lorsqu'ils sont réduits à l'échelle millimétrique.
Ces muscles exploitent fort, dure, fils très souples de nanotubes de carbone, qui se composent de nanocylindres de carbone dont le diamètre est dix mille fois plus petit qu'un cheveu humain. Important pour le succès, ces nanotubes sont filés en fils hélicoïdaux, ce qui signifie qu'ils ont des versions gauchers et droitiers (comme nos mains), en fonction du sens de rotation lors de la torsion des nanotubes pour fabriquer du fil. La rotation est en torsion, ce qui signifie que la torsion se produit dans une direction jusqu'à ce qu'une rotation limite en résulte, puis la rotation peut être inversée en changeant la tension appliquée. Les fils gauche et droit tournent dans des directions opposées lorsqu'ils sont chargés électriquement, mais dans les deux cas, l'effet de la charge est de détordre partiellement le fil.
Il s'agit d'une illustration d'une cellule électrochimique remplie d'électrolyte utilisée pour caractériser l'actionnement en torsion et en traction d'un muscle à nanotubes de carbone, où l'électrode de référence optionnelle, l'électrode à fil de nanotube d'actionnement, et la contre-électrode sont de gauche à droite. L'actionnement en torsion fait tourner la palette attachée au fil de nanotube. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Université du Texas à Dallas
Contrairement aux moteurs conventionnels, dont la complexité les rend difficiles à miniaturiser, les muscles de torsion des nanotubes de carbone sont simples à construire à peu de frais dans des longueurs très longues ou millimétriques. Les moteurs de torsion à nanotubes sont constitués d'une électrode à fil et d'une contre-électrode, qui sont immergés dans un liquide conducteur ionique. Une batterie basse tension peut servir de source d'alimentation, ce qui permet à la charge électrochimique et à la décharge du fil de fournir une rotation en torsion dans des directions opposées. Dans le cas le plus simple, les chercheurs attachent une pagaie au fil de nanotube, qui permet à la rotation de torsion d'effectuer un travail utile - comme le mélange de liquides sur des "puces micro-fluidiques" utilisées pour l'analyse chimique et la détection.
Le mécanisme de rotation en torsion est remarquable. Charger les fils de nanotubes est comme charger un supercondensateur - les ions migrent dans les fils pour équilibrer électrostatiquement la charge électronique injectée électriquement sur les nanotubes. Bien que les fils soient poreux, cet afflux d'ions fait augmenter le volume du fil, rétrécir en longueur jusqu'à un pour cent, et tourner en torsion. Ce rétrécissement surprenant de la longueur du fil à mesure que son volume augmente s'explique par la structure hélicoïdale du fil, dont la structure est similaire aux jouets à manchette qui emprisonnent les doigts d'un enfant lorsqu'ils sont allongés, mais les libère lorsqu'il est raccourci.
Il s'agit d'une photographie d'un prototype de mélangeur (avec des canaux de 3 mm de large) qui peut être réduit pour des applications microfluidiques. Le mélange des liquides bleus et jaunes s'est fait par une palette fixée au milieu d'un fil de nanotubes de carbone qui était à moitié immergé dans l'électrolyte et tourné dans des directions opposées en appliquant alternativement 0 V et -3 V au fil. (B, C) Gros plan des photographies de la palette et du liquide environnant avant et pendant le mélange, respectivement. Crédit :Image reproduite avec l'aimable autorisation de l'Université du Texas à Dallas
La nature utilise la rotation en torsion basée sur des muscles enroulés en hélice depuis des centaines de millions d'années, et exploite cette action pour des tâches telles que la torsion des trompes des éléphants et des membres de la pieuvre. Dans ces appendices naturels, les fibres musculaires enroulées en hélice provoquent une rotation en se contractant contre un corps essentiellement incompressible, noyau sans os. D'autre part, les nanotubes de carbone enroulés en hélice dans les fils de nanotubes subissent peu de changement de longueur, mais provoquent au contraire une augmentation du volume d'électrolyte liquide dans le fil poreux pendant le chargement électrochimique, de sorte que la rotation de torsion se produit.
La combinaison de la simplicité mécanique, rotations de torsion géantes, taux de rotation élevés, et les diamètres de fil de la taille du micron sont attrayants pour les applications, telles que les pompes microfluidiques, commandes de soupapes, et mélangeurs. Dans un mélangeur fluidique démontré par les chercheurs, un fil de 15 microns de diamètre tournait sur un rayon 200 fois plus grand et une pale 80 fois plus lourde dans les liquides en écoulement jusqu'à une rotation par seconde.
"La découverte, caractérisation, et la compréhension de ces moteurs de torsion haute performance montre la puissance des collaborations internationales", a déclaré Ray H. Baughman, un auteur correspondant de l'auteur de l'article sur la science et Robert A. Welch professeur de chimie et directeur de l'Université du Texas à Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. « Des chercheurs de quatre universités de trois continents différents, nés dans huit pays différents, ont apporté des contributions d'une importance cruciale.
