Questa è un'immagine al microscopio elettronico a scansione di un filato di nanotubi di carbonio del diametro di 3,8 micron che funziona come un muscolo di torsione quando riempito con un liquido conduttore di ioni e caricato elettrochimicamente. L'angolo alfa indica la deviazione tra l'orientamento dei nanotubi e la direzione del filato per questo filato elicoidale. Credito:immagine per gentile concessione dell'Università del Texas a Dallas
Nuovi muscoli artificiali che si torcono come la proboscide di un elefante, ma fornire una rotazione per lunghezza mille volte superiore, sono stati annunciati il 13 ottobre per una pubblicazione in Scienza rivista da un team di ricercatori dell'Università del Texas a Dallas, L'Università di Wollongong in Australia, L'Università della Columbia Britannica in Canada, e Hanyang University in Corea.
Questi muscoli, a base di filati di nanotubi di carbonio, accelerare una pagaia 2000 volte più pesante fino a 590 giri al minuto in 1,2 secondi, e quindi invertire questa rotazione quando viene modificata la tensione applicata. La rotazione dimostrata di 250 per millimetro di lunghezza muscolare è oltre mille volte quella dei precedenti muscoli artificiali, che si basano su ferroelettrici, leghe a memoria di forma, o conduttori di polimeri organici. La potenza in uscita per peso del filato è paragonabile a quella dei grandi motori elettrici, e le prestazioni normalizzate in base al peso di questi motori elettrici convenzionali si degradano gravemente quando vengono ridimensionate a una scala millimetrica.
Questi muscoli sfruttano forti, difficile, filati altamente flessibili di nanotubi di carbonio, che consistono in cilindri di carbonio su scala nanometrica che hanno un diametro diecimila volte più piccolo di un capello umano. Importante per il successo, questi nanotubi vengono filati in filati elicoidali, il che significa che hanno versioni per mancini e destrimani (come le nostre mani), a seconda della direzione di rotazione durante la torsione dei nanotubi per fare il filato. La rotazione è torsionale, il che significa che la torsione avviene in una direzione fino a quando non risulta una rotazione limitante, e quindi la rotazione può essere invertita modificando la tensione applicata. I fili sinistro e destro ruotano in direzioni opposte quando vengono caricati elettricamente, ma in entrambi i casi l'effetto della carica è di srotolare parzialmente il filo.
Questa è un'illustrazione di una cella elettrochimica riempita di elettrolita utilizzata per caratterizzare l'attuazione torsionale e di trazione per un muscolo di nanotubi di carbonio, dove l'elettrodo di riferimento opzionale, l'elettrodo di attivazione del filato di nanotubi, e il controelettrodo sono da sinistra a destra. L'attivazione torsionale fa ruotare la paletta attaccata al filato di nanotubi. Credito:immagine per gentile concessione dell'Università del Texas a Dallas
A differenza dei motori convenzionali, la cui complessità li rende difficili da miniaturizzare, i muscoli torsionali dei nanotubi di carbonio sono semplici da costruire a basso costo in lunghezze molto lunghe o millimetriche. I motori torsionali a nanotubi sono costituiti da un elettrodo a filo e da un controelettrodo, che sono immersi in un liquido ionicamente conduttore. Una batteria a bassa tensione può fungere da fonte di alimentazione, che consente alla carica elettrochimica e allo scarico del filo di fornire una rotazione torsionale in direzioni opposte. Nel caso più semplice, i ricercatori attaccano una paletta al filato di nanotubi, che consente alla rotazione torsionale di svolgere un lavoro utile, come la miscelazione di liquidi su "chip microfluidici" utilizzati per l'analisi chimica e il rilevamento.
Il meccanismo di rotazione torsionale è notevole. Caricare i filati di nanotubi è come caricare un supercondensatore:gli ioni migrano nei filati per bilanciare elettrostaticamente la carica elettronica iniettata elettricamente sui nanotubi. Sebbene i filati siano porosi, questo afflusso di ioni fa aumentare di volume il filato, ridursi in lunghezza fino a un punto percentuale, e ruotare torsionalmente. Questo sorprendente restringimento della lunghezza del filato all'aumentare del suo volume è spiegato dalla struttura elicoidale del filato, che è simile nella struttura ai giocattoli con polsini che intrappolano le dita di un bambino quando sono allungati, ma li libera quando si accorciano.
Questa è una fotografia di un prototipo di mixer (con canali larghi 3 mm) che può essere ridimensionato per applicazioni microfluidiche. La miscelazione dei liquidi blu e giallo avveniva mediante una paletta attaccata al centro di un filato di nanotubi di carbonio che era immerso per metà nell'elettrolita e ruotato in direzioni opposte applicando alternativamente 0 V e -3 V al filato. (B, C) Foto ravvicinate della paletta e del liquido circostante prima e durante la miscelazione, rispettivamente. Credito:immagine per gentile concessione dell'Università del Texas a Dallas
La natura ha usato la rotazione torsionale basata su muscoli avvolti elicoidalmente per centinaia di milioni di anni, e sfrutta questa azione per compiti come torcere i tronchi degli elefanti e gli arti dei polpi. In queste appendici naturali, le fibre muscolari avvolte elicoidalmente provocano la rotazione contraendosi contro un tessuto essenzialmente incomprimibile, nucleo senza ossa. D'altra parte, i nanotubi di carbonio avvolti elicoidalmente nei filati di nanotubi subiscono piccole variazioni di lunghezza, ma stanno invece facendo aumentare il volume di elettrolita liquido all'interno del filato poroso durante la carica elettrochimica, in modo che avvenga la rotazione torsionale.
La combinazione di semplicità meccanica, rotazioni torsionali giganti, velocità di rotazione elevate, e i diametri del filato micron sono attraenti per le applicazioni, come le pompe microfluidiche, azionamenti della valvola, e miscelatori. In un miscelatore fluidico dimostrato dai ricercatori, un filato di 15 micron di diametro ruotava con un raggio 200 volte più grande e una paletta 80 volte più pesante in liquidi fluenti fino a una rotazione al secondo.
"La scoperta, caratterizzazione, e la comprensione di questi motori torsionali ad alte prestazioni mostra il potere delle collaborazioni internazionali", disse Ray H. Baughman, un autore corrispondente dell'autore dell'articolo Science e Robert A. Welch Professore di Chimica e direttore dell'Università del Texas a Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "I ricercatori di quattro università in tre diversi continenti che sono nati in otto paesi diversi hanno dato contributi di fondamentale importanza".
