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Muscoli di nanotubi leggeri come l'aria e resistenti al calore
I nastri di nanotubi di carbonio sviluppati dai ricercatori dell'Università del Texas a Dallas sono più resistenti dell'acciaio, elastici come la gomma e leggeri come l'aria. I nastri, che sono fatti di lunghi nanotubi intrecciati di 11 nanometri di spessore, possono allungarsi fino a tre volte la loro larghezza normale, ma sono più rigidi e più resistenti dell'acciaio o del Mylar longitudinalmente. Possono espandersi e contrarsi migliaia di volte e resistere a temperature che vanno da -190 a oltre 1.600 °C. Inoltre, sono leggeri quasi come l'aria e sono trasparenti, conduttivi e flessibili.
Tubi in mongolfiera: Questa illustrazione mostra l'interno di una striscia larga due millimetri di un arioso materiale di nanotubi di carbonio che si espande fino a più di tre volte la sua larghezza quando viene applicata una tensione di cinque kilovolt.
Il materiale, presentato sulla rivista Scienza questa settimana, è stato sviluppato da Ray Baughman , direttore del Istituto Nanotecnologico presso UT Dallas, che sta sviluppando vari tipi di muscoli artificiali basati su nanotubi di carbonio per protesi e robotica. Questi materiali cambiano forma e dimensione in risposta a segnali elettrici o chimici; alcuni si espandono fino all'1 percento ed esercitano una forza 100 volte maggiore rispetto ai muscoli umani naturali sulla stessa area.
I nuovi attuatori, d'altra parte, si espandono fino al 200 percento ma generano piccole forze per unità di superficie, il che li rende tutt'altro che ideali per molte applicazioni, inclusa la robotica. Tuttavia, le loro nuove proprietà, in particolare il loro intervallo di temperatura, potrebbero aprire nuove entusiasmanti applicazioni. Nessun'altra tecnologia di attuatori è in grado di fornire attuazione a queste temperature estreme, afferma Baughman. E questi tassi di attuazione sono giganti.
Qibing Pei , un professore di scienza dei materiali e ingegneria presso l'Università della California, Los Angeles, ritiene che il materiale potrebbe essere un buon candidato per le ali degli aerei che cambiano forma. Pei ha sviluppato attuatori polimerici che si espandono fino al 400% e funzionano tra -40 e 200 °C.
Poiché i nastri di nanotubi sono ultraleggeri e possono sopportare temperature estreme, potrebbero forse essere utili anche per realizzare parti di veicoli spaziali che cambiano forma, afferma Yoseph Bar-Cohen , ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, a Pasadena, in California. È eccitante che il materiale si comporti in questo modo in un ampio intervallo di temperature, dice. Da un lato abbiamo Marte e dall'altro abbiamo Venere. Le loro temperature rientrano nell'intervallo di prestazioni di questo materiale.
Ma per ora, Baughman ei suoi colleghi si stanno concentrando sulle applicazioni ottiche per il materiale. Poiché i nanotubi di carbonio sono altamente conduttivi, i fogli flessibili potrebbero forse essere utilizzati per realizzare elettrodi per celle solari e diodi organici a emissione di luce con trasparenza e conduttività controllabili. Per quell'applicazione, si desidera regolare la densità dei nanotubi di carbonio per unità di area, afferma Baughman. Ciò determina quanta trasparenza ha il foglio. Nel Scienza carta, i ricercatori mostrano che i nastri possono essere depositati su un substrato di silicio nel loro stato espanso e più trasparente. I nastri diffrangono anche la luce in modo che potrebbero forse rivelarsi utili nelle comunicazioni ottiche. La modifica delle loro dimensioni invia diverse lunghezze d'onda della luce in direzioni diverse.
I ricercatori realizzano il materiale coltivando nanotubi di carbonio aggrovigliati e quindi tirando fasci di nanotubi intrecciati in nastri. Quando viene applicata una tensione alle strisce, i nanotubi si caricano e si allontanano a vicenda, facendo espandere il materiale. Normalmente ritorna allo stato originale quando viene rimossa la tensione.
I nastri dovranno probabilmente ancora generare più forza prima di essere pratici per molte applicazioni. In questo momento, generano 32 volte più forza per unità di area dei muscoli cardiaci, il che è molto per le loro dimensioni su nanoscala, afferma ian cacciatore , professore di ingegneria meccanica al MIT. Tuttavia, i polimeri elettroattivi generano fino a otto volte più forza per unità di superficie rispetto ai fogli di nanotubi. Per i muscoli artificiali, è necessario un grande cambiamento di forza insieme a un grande cambiamento di lunghezza, dice Hunter.
Anche gli attuatori polimerici necessitano di pochi volt per contrarsi. I nastri, al contrario, richiedono da tre a cinque kilovolt, che secondo Hunter sono troppo alti per l'uso nell'uomo e superiori a quelli ideali per la robotica. Tuttavia, aggiunge che i nastri di nanotubi troveranno molte importanti applicazioni perché cambiano dimensioni molto più velocemente degli attuatori polimerici esistenti.
La densità ultrabassa dei fogli potrebbe essere la ragione per cui non generano grandi forze. John Madden , un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della British Columbia a Vancouver, in Canada, suggerisce che un modo per aumentare la forza che forniscono potrebbe essere quello di rendere i fogli più densi e aumentare il grado di interconnessione tra i nanotubi.