Siłowniki z nanorurek węglowych
Wyjątkowe właściwości elektryczne i mechaniczne nanorurek węglowych sprawiły, że stały się one alternatywą dla tradycyjnych siłowników elektrycznych zarówno w zastosowaniach mikroskopowych , jak i makroskopowych . Nanorurki węglowe są bardzo dobrymi przewodnikami zarówno elektryczności , jak i ciepła , a także są bardzo mocnymi i elastycznymi cząsteczkami w określonych kierunkach. Te właściwości są trudne do znalezienia w tym samym materiale i bardzo potrzebne w siłownikach o wysokiej wydajności. szeroko stosowane są wielościenne nanorurki węglowe (MWNT) i wiązki MWNT, głównie ze względu na łatwość obsługi i solidność . Do zastosowań makroskopowych wykorzystano grube warstwy rozproszone w roztworze i wysoce uporządkowane przezroczyste warstwy nanorurek węglowych .
Zastosowania mikroskopowe
Nano-szczypce węglowe
Pęseta z nanorurek węglowych została wyprodukowana przez osadzanie wiązek MWNT na izolowanych elektrodach osadzonych na mikropipetach ze szkła hartowanego . Tymi wiązkami nanorurek można manipulować mechanicznie za pomocą elektryczności i można ich używać do manipulowania i przenoszenia mikro- i nanostruktur. Wiązki nanorurek stosowane w pęsetach mają około 50 nm średnicy i 2 µm długości. Pod napięciem elektrycznym przyciągane są dwa bliskie zestawy wiązek, które mogą być używane jako pęsety w nanoskali.
Przełączniki włączania/wyłączania nanorurek i pamięć o swobodnym dostępie
z Harvardu wykorzystali zasadę przyciągania elektrostatycznego do zaprojektowania przełączników włączania/wyłączania proponowanych przez nich nanorurkowych urządzeń pamięci o swobodnym dostępie. Użyli wiązek nanorurek węglowych o średnicy ≈50 nm, aby wytworzyć prototypy sprawdzające słuszność koncepcji. Jeden zestaw wiązek MWNT jest układany na podłożu , a drugi zestaw wiązek jest wykopywany na wierzchu leżących poniżej wiązek nanorurek z odstępem powietrznym pomiędzy nimi. Po polaryzacji elektrycznej zestawy wiązek nanorurek są przyciągane, zmieniając w ten sposób opór elektryczny . Te dwa stany oporu są stanami włączenia i wyłączenia. Stosując to podejście, uzyskano ponad 10-krotną różnicę między rezystancjami w stanie wyłączonym i włączonym. Co więcej, pomysł ten można wykorzystać do stworzenia bardzo gęsto upakowanych macierzy nanoprzełączników i urządzeń pamięci o swobodnym dostępie, jeśli można je zastosować do macierzy jednościennych nanorurek węglowych o średnicy około 1 nm i setkach mikrometrów długości . Obecnym wyzwaniem technicznym związanym z tym projektem jest brak kontroli nad umieszczaniem macierzy nanorurek węglowych na podłożu. Metodę tę stosują również niektórzy badacze na Uniwersytecie Shahid Chamran w Ahvaz .
Silnik nano-cieplny z włókna węglowego
Grupa badawcza z Uniwersytetu w Szanghaju, kierowana przez Tienchong Changa, odkryła ruch przypominający domino w nanorurkach węglowych, który można odwrócić, zmieniając kierunek, gdy zastosuje się różne temperatury. Zjawisko to umożliwia wykorzystanie nanorurek węglowych jako silnika cieplnego pracującego między dwoma źródłami ciepła.
Zastosowania makroskopowe
Elektrody arkuszowe z nanorurek jako siłowniki
Naukowcy z AlliedSignal początkowo zademonstrowali możliwość wytwarzania siłowników zasilanych elektrycznie z arkuszy nanorurek węglowych. Przykleili arkusze nanorurek węglowych po dwóch stronach dwustronnej taśmy klejącej i przyłożyli potencjał do arkuszy nanorurek w roztworze elektrolitu NaCl . Arkusze nanorurek są używane jako wypełnione elektrolitem elektrody superkondensatora . Arkusze nanorurek są ładowane elektrycznie przez tworzenie się podwójnej warstwy na granicy faz nanorurki-elektrolit bez potrzeby interkalacji jonów. domieszki w stanie stałym i zmiany strukturalne ograniczające szybkość, cykl życia i wydajność konwersji energii. Z drugiej strony ferroelektryczne i elektrostrykcyjne są również bardzo przydatne do bezpośredniej konwersji energii, ale wymagają wysokich napięć pracy i temperatury otoczenia o ograniczonym zakresie. Wykazano, że siłowniki z arkuszy nanorurek działają przy niskim napięciu (≈1 wolt lub mniej) i zapewniają wyższą gęstość pracy na cykl niż inne alternatywne technologie. Później Baughman i in. wykazali, że odpowiedź siłownika można zaobserwować do szybkości przełączania 1 kHz, a cykliczne uruchamianie nanorurkowego siłownika ze stałą szybkością 1 Hz przez 140 000 cykli zmniejsza skok o ≈33%. Zmierzono naprężenie 0,75 MPa na elementach wykonawczych arkusza nanorurek, co jest wartością większą niż maksymalne naprężenie (0,3 MPa), jakie można obciążyć ludzki mięsień.
wyżarzeniu arkuszy w obojętnej atmosferze w bardzo wysokich temperaturach (1100 ° C, 2000 ° F) w przeciwieństwie do jednorazowego - zgłaszane 0,1% lub mniej dla niskich potencjałów elektrochemicznych (≈1 V lub mniej). Maksymalne obciążenie siłowników z arkusza nanorurek węglowych przy niskich napięciach jest większe niż w przypadku siłowników ferroelektrycznych z ceramiki o wysokim module sprężystości (≈0,1%), ale jest niższe niż w przypadku niskonapięciowych (≈0,4 V) przewodzących siłowników polimerowych ( ≈3% kierunek folii, 20% kierunek grubości). Udary zgłaszano aż do 215% dla obciążonych odkształceniem kauczuków elektrostrykcyjnych o niskim module sprężystości pod napięciem większym niż 1 kV (co odpowiada polu elektrycznemu 239 MV/m dla geometrii wspomnianej w artykule). Spinksa i in. zrealizował napęd pneumatyczny z arkuszy nanorurek węglowych w roztworach elektrolitów o wysokim potencjale elektrochemicznym (1,5 V), powodującym powstawanie gazów w elektrolicie. Uwolniony gaz dramatycznie zwiększa skok siłownika z arkusza nanorurek węglowych. Grubość arkusza nanorurek węglowych zwiększa się o ≈300%, a płaszczyzna arkusza kurczy się o 3%.
Sztuczne mięśnie i gigantyczne pociągnięcia przez arkusze aerożelu MWNT
Wysoce uporządkowane wolnostojące arkusze aerożelu MWNT można zrealizować, po prostu wyciągając arkusz ze ścian bocznych lasów MWNT hodowanych przez CVD. Naukowcy z UT Dallas opracowali konwencjonalną metodę, w której przyczepiają taśmę samoprzylepną do ścian bocznych lasów MWNT i ciągną ją ze stałą prędkością do 7 metrów na minutę (0,26 mil na godzinę), aby uzyskać arkusze aerożelu o szerokości 3–5 cm. wyrównane MWNT, które mają wyjątkowe właściwości mechaniczne i optyczne. Arkusze aerożelu mają gęstość ≈1,5 mg/cm3 , gęstość powierzchniową 1-3 µg/cm2 i grubość ≈20 µm. Grubość zmniejsza się do ≈50 nm przez zagęszczanie na bazie cieczy w celu zmniejszenia objętości. Arkusze aerożelu można rozciągnąć nawet trzykrotnie wzdłuż szerokości, zachowując przy tym zachowanie gumy o niskim module sprężystości.
Dysponując arkuszami aerożelu MWNT, badacze z UT wytworzyli siłowniki o gigantycznych skokach (≈180% zadziałania wzdłuż szerokości) z opóźnieniem 5 ms między przyłożeniem potencjału a zaobserwowaniem maksymalnego skoku. Dlatego szybkość aktywacji jest nieco lepsza niż w przypadku ludzkiego mięśnia. To bardzo ważne osiągnięcie, biorąc pod uwagę, że tempo aktywacji sztucznych mięśni stosowanych w robotach jest zazwyczaj znacznie wolniejsze. Ponadto zastosowanie nanorurek węglowych jako elementów budulcowych sztucznego mięśnia pomaga również pod względem siły i wytrzymałości, czyniąc sztuczny mięsień mocniejszym niż stal w jednym kierunku i bardziej elastycznym niż guma w pozostałych dwóch kierunkach. Brak roztworu elektrolitu i odporność termiczna arkusza aerożelu w środowisku obojętnym umożliwia pracę w wysokich temperaturach. Skok uruchamiania zmniejsza się tylko o 50% od wartości temperatury pokojowej do 1344°C (2451°F). Tak więc ten projekt sztucznych mięśni może być całkiem przydatny w wielu zastosowaniach przemysłowych, z wadą działania pod wysokim napięciem w przypadku gigantycznych uderzeń.
Wyzwania i przyszłe zastosowania
W rezultacie wykazano, że nanorurki węglowe są doskonałymi materiałami do zastosowań związanych z uruchamianiem. Poddziedzina siłowników z nanorurek węglowych odniosła spory sukces i jest gotowa do skalowalnych zastosowań, biorąc pod uwagę, że istnieje sporo konwencjonalnych i skalowalnych metod syntezy nanorurek węglowych na dużą skalę. Arkusze nanorurek węglowych stosowane jako elektrody w roztworach elektrolitów umożliwiają operacje niskonapięciowe w temperaturze pokojowej z skokami uruchamiania i szybkościami porównywalnymi z przewodzącymi polimerowymi siłownikami, ale przy wyższych gęstościach pracy na cykl i żywotności. Jednak skoki uruchamiania są znacznie mniejsze niż w przypadku gum elektrostrykcyjnych, które działają przy napięciu o trzy rzędy wielkości wyższym. Z drugiej strony, realizacja aerożeli z nanorurek węglowych umożliwiła gigantyczne uderzenia porównywalne z kauczukami elektrostrykcyjnymi w temperaturze pokojowej, ale aerożele z nanorurek węglowych mogą działać w bardzo szerokim zakresie temperatur i przy bardzo wysokich szybkościach aktywacji, które są nawet lepsze niż szybkość aktywacji mięśni człowieka.