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Muscoli di nanotubi di carbonio ultra resistenti
Girando i nanotubi di carbonio in un filato una frazione della larghezza di un capello umano, i ricercatori hanno sviluppato muscoli artificiali che esercitano una forza 100 volte superiore, per area, del muscolo naturale. Questo è secondo Ray Baughman , direttore del Nanotech Institute presso l'Università del Texas a Dallas , che ha presentato la ricerca a Boston la scorsa settimana alla conferenza della Materials Research Society.
I filati di nanotubi di carbonio come questo possono essere usati come potenti attuatori.
Muscoli artificiali - attuatori basati su materiali come alcuni tipi di metalli e polimeri che si restringono, crescono o cambiano forma - sono utili per arti protesici, macchine su microscala e robot. Il nostro problema più grande in questo momento [nello sviluppo di muscoli artificiali] è [che] il livello di forza generata non è elevato, afferma Yoseph Bar-Cohen, ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, a Pasadena, in California. I nanotubi di carbonio potenzialmente possono creare una forza enorme.
Baughman ha precedentemente sviluppato attuatori a nanotubi di carbonio che convertono l'energia dell'idrogeno in forza meccanica. Usa una configurazione simile a una cella a combustibile in cui gli elettrodi di nanotubi di carbonio rivestiti di catalizzatore fungono anche da attuatori, cambiando dimensione in risposta alla carica elettrica. Sfortunatamente, i fogli dei nanotubi di carbonio impiegati in questi esperimenti non fanno buon uso della forza dei nanotubi di carbonio. In effetti, trovare un materiale di nanotubi di carbonio che utilizza la straordinaria forza delle singole molecole di nanotubi è stata una sfida di ricerca.
Nell'ultimo lavoro di Baughman, svolto in collaborazione con John Madden presso l'Università della British Columbia, i ricercatori hanno realizzato attuatori con filati di nanotubi di carbonio. I filati vengono creati dalla prima crescita di nanotubi densamente imballati, ciascuno lungo circa 100 micrometri. I nanotubi di carbonio vengono quindi raccolti da una porzione di questo campo e filati insieme in fili lunghi e sottili. Il filato di nanotubi può essere solo il 2% della larghezza di un capello, nemmeno visibile, ma lungo più di un metro. Secondo Baughman, filare questi fili era come trascinare un pesce con una lenza invisibile. Nella sua presentazione alla conferenza, ha descritto i filati che potrebbero supportare carichi 150 volte maggiori di quelli che potrebbero fare le carte per nanotubi.
Tuttavia, resta ancora molto lavoro da fare nello sviluppo dei materiali. Per prima cosa, quando vengono applicati carichi maggiori agli attuatori, possono iniziare a mostrare scorrimento, ovvero non tornano completamente al loro stato originale con cicli successivi. Baughman afferma che prima che questi attuatori possano essere utili, lo scorrimento deve essere eliminato. Sotto carico, il ciclo non è reversibile: hai un po' di creep. Nella maggior parte delle applicazioni di attuatori, non si desidera alcuno scorrimento.
Un altro problema chiave è il ridimensionamento da singoli thread sottili. Sebbene i muscoli dei nanotubi di carbonio possano superare i muscoli naturali in base all'area, esercitando una forza 100 volte superiore, i muscoli naturali sono molto più grandi, il che li rende più forti. Questo problema di scalabilità è stato una sfida per i muscoli artificiali in generale, motivo per cui non riescono ancora a battere i muscoli umani in funzioni come il braccio di ferro, afferma Bar-Cohen.
Nonostante le sfide, il lavoro di Baughman finora rappresenta importanti progressi per i muscoli artificiali basati su nanotubi di carbonio. [Baughman] ha davvero portato queste cose molto lontano in termini di elaborazione, afferma Elisabetta Smela , professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Maryland. Il fatto che possa formare fogli conduttori trasparenti, filati e altri materiali da questi nanotubi di carbonio è interessante. L'elaborazione è molto importante. Puoi avere un materiale promettente, ma se non riesci a capire come elaborarlo per ricavarne delle cose, non ti fa molto bene.