Les chercheurs construisent de solides muscles unipolaires de nanotubes de carbone


Les chercheurs construisent de solides muscles unipolaires de nanotubes de carbone

Dans une étude publiée en le 28 janvier dans la revue Science de l’Université du Texas à Dallas, des et leurs collègues décrivent la création de puissants fils électrochimiques unipolaires qui se contractent davantage lorsque vous conduisez plus vite. Cette au microscope électronique à balayage montre un muscle unipolaire enroulé constitué de de et recouvert de poly (4-styrène sulfonate de sodium). Le diamètre extérieur de la bobine est d’environ 140 micromètres, soit environ le double de celui d’un cheveu humain. Crédit photo: Université du Texas à Dallas

Depuis plus de 15 ans, des chercheurs de l’Université du Texas à Dallas et leurs collègues aux États-Unis, en Australie, en Corée du Sud et en Chine fabriquent des muscles artificiels en tordant et enroulant des nanotubes de carbone ou des fils polymères. Lorsqu’ils sont sous tension thermique, ces muscles travaillent en contractant leur longueur lorsqu’ils sont chauffés et en revenant à leur longueur d’origine lorsqu’ils sont refroidis. Cependant, ces muscles artificiels entraînés thermiquement ont des limites.

Les muscles à nanotubes de carbone (CNT) à propulsion électrochimique offrent une approche alternative pour répondre au besoin croissant de muscles artificiels rapides, hautes performances et à grande course pour des applications allant de la robotique aux pompes cardiaques en passant par la transformation des vêtements.

« Les muscles électrochimiques sont particulièrement prometteurs car leur efficacité de conversion d’énergie n’est pas limitée par la limite du moteur thermique thermodynamique des muscles thermiques et ils peuvent maintenir de grandes courses contractiles tout en portant de lourdes charges sans consommer d’énergie significative », a déclaré le Dr. Ray Baughman, titulaire de la chaire distinguée Robert A. Welch en chimie et directeur de l’Institut Alan G. MacDiarmid NanoTech à l’UT Dallas. « En revanche, les muscles humains et les muscles thermiquement alimentés nécessitent une grande quantité d’énergie d’entrée pour porter de lourdes charges même lorsqu’aucun travail mécanique n’est effectué. »

Dans une étude publiée en ligne dans la revue le 28 janvier scienceLes chercheurs décrivent la création de puissants muscles de fils électrochimiques unipolaires qui se contractent davantage à mesure que vous conduisez plus vite, résolvant ainsi des problèmes importants qui ont des applications limitées pour ces muscles.

Les muscles du fil CNT alimentés électrochimiquement sont activés en appliquant une tension entre le muscle et une contre-électrode qui entraîne les ions d’un électrolyte environnant dans le muscle.

Cependant, les muscles électrochimiques CNT ont des limites. Premièrement, l’actionnement musculaire est bipolaire, ce qui signifie que le mouvement musculaire – qu’il s’agisse d’expansion ou de contraction – change de direction lors d’un examen possible. Le potentiel auquel l’oscillation change de direction est le potentiel de charge zéro et la vitesse à laquelle le potentiel change avec le temps est la fréquence d’échantillonnage potentielle.

Autre problème: un certain électrolyte n’est stable que sur une certaine plage de tension. En dehors de cette plage, l’électrolyte se décompose.

« Les muscles du fil précédents ne peuvent pas utiliser toute la gamme de stabilité des électrolytes », a déclaré Baughman, co-auteur de l’étude. « De plus, la capacité du muscle – sa capacité à stocker la charge requise pour l’exercice – diminue à mesure que la fréquence d’échantillonnage potentielle augmente, ce qui signifie que la course du muscle diminue considérablement à mesure que la vitesse d’exercice augmente. »

Pour résoudre ces problèmes, les chercheurs ont découvert que les surfaces internes des fils de nanotubes de carbone enroulés peuvent être revêtues d’un polymère ioniquement conducteur approprié contenant des groupes chimiques chargés positivement ou négativement.

« Ce revêtement polymère convertit l’actionnement bipolaire normal des fils de nanotubes de carbone en un actionnement unipolaire, dans lequel le muscle est actionné dans une direction sur toute la plage de stabilité de l’électrolyte », a déclaré Baughman. « Ce comportement tant attendu a des conséquences surprenantes qui rendent les muscles électrochimiques des nanotubes de carbone beaucoup plus rapides et plus puissants. »

L’étudiant au doctorat en chimie Zhong Wang, co-auteur de l’étude, a expliqué la science sous-jacente: «Le champ dipolaire du polymère déplace le potentiel de la charge zéro – ici la charge électronique des nanotubes change de signe – en dehors de la plage de stabilité de l’électrolyte. , les ions avec uniquement injectés électrochimiquement avec un signe pour compenser cette charge électronique, et la course musculaire change dans une direction sur toute cette zone de balayage de potentiel utilisable. « 

Dr. Jiuke Mu, professeur de recherche associé à l’UT Dallas NanoTech Institute et co-premier auteur, a déclaré que le revêtement polymère aide à résoudre le problème de capacité des muscles des fils électrochimiques.

« Le nombre de molécules de solvant qui sont pompées dans le muscle par chaque ion augmente avec l’augmentation du taux d’échantillonnage potentiel pour certains muscles unipolaires, ce qui augmente la taille efficace des ions qui entraîne l’activation », a déclaré Mu. « Ainsi, la course musculaire peut augmenter avec l’augmentation Augmentation potentielle du taux d’échantillonnage d’un facteur 3,8, tandis que le battement des muscles du fil de nanotubes de carbone sans revêtement polymère diminue d’un facteur 4,2 avec les mêmes changements dans le taux d’échantillonnage potentiel. « 

Les progrès fournissent des muscles unipolaires électrochimiques qui se contractent pour produire une puissance mécanique moyenne maximale par poids musculaire de 2,9 watts / gramme, soit environ 10 fois la capacité typique du muscle humain et environ 2,2 fois la performance normalisée en poids d’un V turbocompressé. -8 moteur diesel.

Le revêtement polymère utilisé pour produire ces résultats était du poly (4-styrène sulfonate de sodium), qui est approuvé pour l’utilisation de médicaments et suffisamment peu coûteux pour être utilisé dans l’adoucissement de l’eau. L’incorporation de ce gaz polymère a permis le fonctionnement pratique d’un muscle nanotube de carbone à des températures élevées jusqu’à moins de 30 degrés Celsius.

Wang a déclaré que l’équipe avait également constaté que le comportement unipolaire peut être obtenu sans coups renforcés à la vitesse de balayage lorsque des nanofeuilles d’oxyde de graphène sont intégrées dans le muscle du fil à l’aide d’un processus de bis-scrolling développé et breveté par les chercheurs de l’UT Dallas.

« L’utilisation de cet invité pour fournir les champs dipolaires nécessaires au comportement unipolaire a augmenté la puissance mécanique contractile moyenne maximale du muscle à un remarquable 8,2 watts / gramme, soit 29 fois la capacité maximale du même poids de muscle humain et environ 6,2 fois celui d’un moteur diesel turbocompressé V-8 », a déclaré Wang.

«Nous avons également découvert que deux types différents de muscles de fils unipolaires, chacun avec des courses améliorées à travers la vitesse de balayage, peuvent être combinés en un muscle de fil solide avec deux électrodes et des solides, éliminant ainsi le besoin d’un bain d’électrolyte liquide. « Dit Wang. » Un électrolyte solide est utilisé pour avoir deux fils de nanotubes de carbone enroulés contenant différents invités polymères joints latéralement, l’un contenant des substituants chargés négativement et l’autre contenant des substituants chargés positivement. Les deux fils se contractent lors de la charge pour contribuer de manière additive à l’activation due à l’injection Ces muscles unipolaires à deux électrodes ont été tissés pour fabriquer des textiles d’actionnement qui peuvent être utilisés pour transformer des vêtements.  »


Les gaines entraînent de nouveaux muscles artificiels puissants


Plus d’information:
« Course unipolaire, muscles de fil de nanotubes de carbone de pompe électroosmotique » science (2021). science.sciencemag.org/cgi/doi… 1126 / science.abc4538

Fourni par l’Université du Texas à Dallas

Citation: Des chercheurs créent de puissants muscles unipolaires de nanotubes de carbone (2021, 28 janvier), consulté sur https://phys.org/news/2021-01-powerful-unipolar-carbon-nanotube-muscles.html le 28 janvier 2021

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