I ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del DOE e dell'Università della California, Berkeley, hanno sviluppato un nuovo attuatore in microscala elegante e potente che può flettersi come un minuscolo dito che fa cenno. Basato su un materiale di ossido che si espande e si contrae drammaticamente in risposta a una piccola variazione di temperatura, gli attuatori sono più piccoli della larghezza di un capello umano e sono promettenti per la microfluidica, consegna farmaci, e muscoli artificiali.

"Riteniamo che il nostro microattuatore sia più efficiente e potente di qualsiasi tecnologia di attuazione su microscala attuale, comprese le cellule muscolari umane, ", afferma Junqiao Wu, scienziato del Berkeley Lab e della UC Berkeley. "Inoltre, utilizza questo materiale molto interessante, il diossido di vanadio, e ci dice di più sulla scienza dei materiali fondamentale delle transizioni di fase".

Wu è l'autore corrispondente di un articolo apparso in Nano lettere questo mese che riporta questi risultati, intitolato "Ampiezza gigante, Microattuatori ad alta densità di lavoro con nanostrati bimorfi attivati ​​da transizione di fase." Come spesso accade nella scienza, Wu e i suoi colleghi sono arrivati ​​all'idea del microattuatore per caso, mentre si studia un problema diverso.

Il biossido di vanadio è un esempio da manuale di un materiale fortemente correlato, il che significa che il comportamento di ciascun elettrone è indissolubilmente legato ai suoi elettroni vicini. I comportamenti elettronici esotici risultanti hanno reso il biossido di vanadio oggetto di esame scientifico per decenni, gran parte di essa si è concentrata su un'insolita coppia di transizioni di fase.

Quando riscaldato oltre i 67 gradi Celsius, il biossido di vanadio si trasforma da isolante a metallo, accompagnato da una transizione di fase strutturale che restringe il materiale in una dimensione mentre si espande nelle altre due. Per decenni, i ricercatori hanno discusso se una di queste transizioni di fase guidi l'altra o se siano fenomeni separati che si verificano casualmente alla stessa temperatura.

Wu ha fatto luce su questa domanda in un lavoro precedente pubblicato su Lettere di revisione fisica , in cui lui e i suoi colleghi hanno isolato le due transizioni di fase in nanofili a cristallo singolo di biossido di vanadio e hanno dimostrato che sono separabili e possono essere guidati indipendentemente. Il team ha avuto difficoltà con gli esperimenti, però, quando i nanofili si sono staccati dai contatti degli elettrodi durante la transizione di fase strutturale.

"Al passaggio, un filo lungo 100 micron si restringe di circa 1 micron, che può facilmente rompere il contatto, "dice Wu, che ha un doppio incarico come professore nel dipartimento di scienze e ingegneria dei materiali della UC Berkeley. "Così abbiamo iniziato a porci la domanda:questo è un male, ma possiamo farne una buona cosa? E l'attuazione è l'applicazione naturale."

Per sfruttare il restringimento, i ricercatori hanno fabbricato una striscia indipendente di biossido di vanadio con uno strato di metallo cromato sulla parte superiore. Quando la striscia viene riscaldata tramite una piccola corrente elettrica o un lampo di luce laser, il biossido di vanadio si contrae e tutta la striscia si piega come un dito.

"Lo spostamento del nostro microattuatore è enorme, "dice Wu, "decine di micron per una lunghezza dell'attuatore dello stesso ordine di grandezza, molto più grande di quella che si può ottenere con un dispositivo piezoelettrico, e contemporaneamente con una forza molto grande. Sono molto ottimista sul fatto che questa tecnologia diventerà competitiva rispetto alla tecnologia piezoelettrica, e può anche sostituirlo."

Gli attuatori piezoelettrici sono lo standard industriale per l'attuazione meccanica su micro scale, ma sono complicati da coltivare, necessitano di grandi tensioni per piccoli spostamenti, e in genere coinvolgono materiali tossici come il piombo. "Ma il nostro dispositivo è molto semplice, il materiale è atossico, e lo spostamento è molto più grande a una tensione di pilotaggio molto più bassa, " dice Wu. "Puoi vederlo muoversi con un microscopio ottico! E funziona ugualmente bene in acqua, rendendolo adatto per applicazioni biologiche e microfluidiche."

I ricercatori prevedono di utilizzare i microattuatori come minuscole pompe per la somministrazione di farmaci o come muscoli meccanici in robot su microscala. In quelle applicazioni, la densità di lavoro eccezionalmente elevata dell'attuatore, la potenza che può fornire per unità di volume, offre un grande vantaggio. Oncia per oncia, gli attuatori al biossido di vanadio erogano una forza di tre ordini di grandezza maggiore del muscolo umano. Wu e i suoi colleghi stanno già collaborando con il Berkeley Sensing and Actuation Center per integrare i loro attuatori in dispositivi per applicazioni come i robot di rilevamento delle radiazioni per ambienti pericolosi.

Il prossimo obiettivo del team è creare un attuatore di torsione, che è una prospettiva molto più impegnativa. Wu spiega:"Gli attuatori di torsione in genere comportano una progettazione complicata di ingranaggi, alberi e/o cinghie, e quindi la miniaturizzazione è una sfida. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."