Gli attuatori sono dispositivi che convertono l'energia elettrica in energia meccanica, come il dispositivo alimentato a batteria all'interno di un telefono cellulare che fa vibrare il telefono. Quando questo processo viene invertito, quando un dispositivo converte l'energia meccanica in energia elettrica, il dispositivo viene chiamato raccoglitore di energia, e che l'energia elettrica è spesso immagazzinata per un uso futuro. Un esempio potrebbe essere un dispositivo all'interno di un pacemaker che converte l'energia meccanica creata dal movimento di un paio di polmoni respiratori in energia elettrica che può essere utilizzata per caricare le batterie del pacemaker.

Entrambi i dispositivi contengono tipicamente materiali elettromeccanici, come i polimeri elettroattivi, che sono fatti di molecole simili a catene che cambiano di dimensione o forma quando stimolate da un campo elettrico. Ma la loro efficienza e velocità dipendono da quanto velocemente gli ioni, o particelle caricate elettricamente, può muoversi tra gli elettrodi, o i conduttori attraversati dalla corrente elettrica, per modificare le dimensioni o la forma del polimero. Gli ioni più veloci possono spostarsi tra gli elettrodi, maggiore sarà la conduttività ionica di questi elettrodi e maggiore sarà la risposta del materiale al campo elettrico. Sebbene questi polimeri di solito contengano nanoparticelle che vengono disperse casualmente in tutto il materiale per renderlo conduttivo, questo rallenta gli ioni costringendoli a viaggiare in percorsi a zigzag attorno alle minuscole particelle.

Recentemente, un ricercatore del MIT ha collaborato con un team di ingegneri elettrici della Pennsylvania State University per escogitare un nuovo modo in cui gli ioni possono viaggiare più rapidamente tra gli elettrodi rispetto ai polimeri tradizionali. Brian L. Wardle, professore associato di aeronautica e astronautica, e i suoi colleghi hanno progettato elettrodi contenenti nanotubi di carbonio allineati:minuscoli, cilindri cavi fatti di atomi di carbonio — da utilizzare in un polimero elettroattivo. Come riportano in un articolo che sarà pubblicato l'8 ottobre in Materiali funzionali avanzati , questo allineamento ha creato "corsie espresse" che hanno permesso agli ioni di viaggiare più rapidamente tra gli elettrodi. Nello specifico, i ricercatori stimano che la conduttività ionica di questi elettrodi sia di circa un ordine di grandezza maggiore di quella degli elettrodi nei polimeri che contengono nanoparticelle disperse in modo casuale.

Wardle e i suoi colleghi, compreso Qiming M. Zhang, un professore di ingegneria elettrica alla Penn State, e l'autore principale Sheng Liu, uno degli studenti laureati di Zhang, dimostrato che gli elettrodi di nanotubi di carbonio allineati possono migliorare le prestazioni degli ioni in un attuatore, il che significa che potrebbero essere ottimizzati per applicazioni come muscoli artificiali e robot.

I ricercatori affermano che i dispositivi potrebbero essere utilizzati come raccoglitori di energia attraverso un processo di conversione inversa. C'è un enorme interesse nello sviluppo di raccoglitori di energia per applicazioni su larga scala, tali da creare energia elettrica dal movimento delle onde del vento o dell'oceano, dice Wardle. I dispositivi potrebbero anche essere utilizzati per alimentare vaste reti di sensori microscopici in aree difficili da raggiungere come i tubi sotterranei.

Creazione composita

L'obiettivo dei ricercatori era progettare un composito che potesse funzionare come un elettrodo superiore. Riscaldando il gas naturale ed esponendolo a un catalizzatore metallico, Wardle e molti dei suoi studenti laureati hanno coltivato i nanotubi di carbonio elettricamente conduttivi e hanno versato su di essi un polimero miscelato in un solvente. Una volta evaporato il solvente, ha lasciato un solido, composito ionico-poroso contenente sia polimeri che nanotubi di carbonio. I ricercatori hanno quindi utilizzato questo composito per creare una struttura composta da uno strato di polimero puro (per fungere da isolante) contenente ioni positivi e negativi inseriti tra due strati del composito realizzati sia in polimero che in nanotubi di carbonio (per fungere da elettrodi). .

Per testare le capacità di attuazione della struttura, i ricercatori hanno applicato un campo elettrico a bassa tensione. Questa tensione ha causato il flusso di ioni da uno strato di elettrodi all'altro, che ha provocato un lato della struttura contenente più ioni. Questo squilibrio ionico ha generato una pressione sufficiente a far piegare l'intera struttura, creando così energia meccanica. L'esperimento ha anche rivelato che il design dell'elettrodo composito ha contribuito a ridurre al minimo la resistenza elettrica.

I ricercatori ritengono che lo stesso dispositivo potrebbe essere utilizzato come raccoglitore di energia se sottoposto a sollecitazioni meccaniche, come attraverso la compressione. Questo perché la compressione farebbe muovere gli ioni in modo diverso, che provocherebbe una carica elettrica sbilanciata. Questo, a sua volta, creerebbe una differenza di tensione e produrrebbe un flusso di elettricità.

Ottimizzazione del design

Yoseph Bar-Cohen, un ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA, afferma che lo studio dimostra un miglioramento dei polimeri ionici. Ma è curioso della risposta del dispositivo su periodi di tempo più lunghi, notando che l'attuale studio era limitato a un esperimento di soli 10 minuti.

Mentre sviluppano questi elettrodi, Wardle ei suoi collaboratori stanno cercando di determinare un design ottimale. Ora che hanno dimostrato quanto siano efficaci i nanotubi di carbonio per l'efficienza degli elettrodi, stanno esplorando alcuni dettagli che potrebbero consentire prestazioni ottimali, come la distanza tra i tubicini.