Des chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du DOE et de l'Université de Californie, Berkeley, ont développé un nouvel actionneur à micro-échelle élégant et puissant qui peut fléchir comme un petit doigt qui fait signe. Basé sur un matériau d'oxyde qui se dilate et se contracte considérablement en réponse à une petite variation de température, les actionneurs sont plus petits que la largeur d'un cheveu humain et sont prometteurs pour la microfluidique, l'administration de médicaments, et des muscles artificiels.

"Nous pensons que notre microactionneur est plus efficace et plus puissant que n'importe quelle technologie d'actionnement à micro-échelle actuelle, y compris les cellules musculaires humaines, " déclare le Berkeley Lab et le scientifique de l'UC Berkeley Junqiao Wu. " De plus, il utilise ce matériau très intéressant, le dioxyde de vanadium, et nous en dit plus sur la science fondamentale des matériaux des transitions de phase.

Wu est l'auteur correspondant d'un article paru dans Lettres nano ce mois-ci qui rapporte ces conclusions, intitulé "Géant-Amplitude, Microactionneurs à haute densité de travail avec bimorphes de nanocouche activés par transition de phase." Comme cela arrive souvent en science, Wu et ses collègues sont arrivés à l'idée du microactionneur par accident, tout en étudiant un problème différent.

Le dioxyde de vanadium est un exemple classique d'un matériau fortement corrélé, ce qui signifie que le comportement de chaque électron est inextricablement lié à ses électrons voisins. Les comportements électroniques exotiques qui en résultent ont fait du dioxyde de vanadium un objet d'examen scientifique pendant des décennies, une grande partie se concentrait sur une paire inhabituelle de transitions de phase.

Lorsqu'il est chauffé au-delà de 67 degrés Celsius, le dioxyde de vanadium se transforme d'un isolant en un métal, accompagné d'une transition de phase structurelle qui rétrécit le matériau dans une dimension tout en se dilatant dans les deux autres. Depuis des décennies, les chercheurs se sont demandé si l'une de ces transitions de phase entraîne l'autre ou s'il s'agit de phénomènes distincts qui se produisent par coïncidence à la même température.

Wu a fait la lumière sur cette question dans des travaux antérieurs publiés dans Lettres d'examen physique , dans lequel lui et ses collègues ont isolé les deux transitions de phase dans des nanofils monocristallins de dioxyde de vanadium et démontré qu'elles sont séparables et peuvent être pilotées indépendamment. L'équipe a rencontré des difficultés avec les expériences, cependant, lorsque les nanofils se sont détachés de leurs contacts d'électrode pendant la transition de phase structurelle.

« À la transition, un fil de 100 microns se rétracte d'environ 1 micron, qui peut facilement rompre le contact, " dit Wu, qui a une double nomination en tant que professeur au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'UC Berkeley. "Alors on a commencé à se poser la question :c'est mauvais, mais pouvons-nous en faire une bonne chose ? Et l'actionnement est l'application naturelle."

Pour profiter du rétrécissement, les chercheurs ont fabriqué une bande autonome de dioxyde de vanadium recouverte d'une couche de chrome métallique. Lorsque la bande est chauffée via un petit courant électrique ou un flash de lumière laser, le dioxyde de vanadium se contracte et toute la bande se plie comme un doigt.

"La cylindrée de notre microactionneur est énorme, " dit Wu, "des dizaines de microns pour une longueur d'actionneur du même ordre de grandeur - bien plus grande que ce que vous pouvez obtenir avec un dispositif piézoélectrique - et simultanément avec une force très importante. Je suis très optimiste que cette technologie deviendra compétitive par rapport à la technologie piézoélectrique, et peut même le remplacer."

Les actionneurs piézoélectriques sont la norme de l'industrie pour l'actionnement mécanique sur des micro-échelles, mais ils sont compliqués à cultiver, besoin de grandes tensions pour de petits déplacements, et impliquent généralement des matières toxiques telles que le plomb. "Mais notre appareil est très simple, le matériau est non toxique, et le déplacement est beaucoup plus grand à une tension d'entraînement beaucoup plus faible, " dit Wu. " Vous pouvez le voir bouger avec un microscope optique ! Et ça marche aussi bien dans l'eau, ce qui le rend adapté aux applications biologiques et microfluidiques."

Les chercheurs envisagent d'utiliser les microactionneurs comme de minuscules pompes pour l'administration de médicaments ou comme des muscles mécaniques dans des robots à micro-échelle. Dans ces applications, la densité de travail exceptionnellement élevée de l'actionneur (la puissance qu'il peut fournir par unité de volume) offre un grand avantage. Once pour once, les actionneurs au dioxyde de vanadium délivrent une force de trois ordres de grandeur supérieure à celle du muscle humain. Wu et ses collègues sont déjà en partenariat avec le Berkeley Sensing and Actuation Center pour intégrer leurs actionneurs dans des dispositifs destinés à des applications telles que les robots de détection de rayonnement pour les environnements dangereux.

Le prochain objectif de l'équipe est de créer un actionneur de torsion, ce qui est une perspective beaucoup plus difficile. Wu explique : « Les actionneurs de torsion impliquent généralement une conception compliquée d'engrenages, shafts and/or belts, 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."