Zvětšit obrázek

Odvíjanie zväzku uhlíkových vlákien z vrstvy tesne vedľa seba usporiadaných uhlíkových nanotrubičiek, ktorú výskumníci nazývajú „les“(forest). Dĺžka jednotlivých nanotrubičiek je 30 krát väčšia, než ich šírka.

Vedci z Ústavu pre nanotechnológie Texaskej univerzity v Dallase vyvinuli nový typ umelých svalov, ktoré sú schopné fungovať v extrémne širokom rozsahu teplôt. Ich funkčnosť testovali pri teplote kvapalného dusíka (- 196°C) aj pri horúčavách asi 1627°C, keď je roztavené už aj železo. Tieto extrémy však nie sú limitom pre nový materiál, sú hranicami technických možností príslušného vedeckého pracoviska. Trinásťčlenný autorský kolektív, vedený profesorom Rayom Baughmanom, opísal vlastnosti svojho vynálezu v článku “Giant Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles”, publikovanom v časopise Science z 20. marca.

Zvětšit obrázek

Časť výskumného tímu z Ústavu pre nanotechnológie Texaskej univerzity v Dallase. Tretí zľava je šéf Ústavu, profesor Ray Baughman.

Základom zvláštneho materiálu je takzvaný aerogél (gélu podobná štruktúra, len namiesto tekutiny je vyplnená plynom) – ľahučká, prevzdušnená hmota z dlhých rovnobežne usporiadaných uhlíkových nanovlákien. Vznikajú postupným odvíjaním zväzku uhlíkových nanotrubičiek z vrstvy, ktorú vedci nazývajú „lesom“, pretože svojou štruktúrou pripomína hustý bambusový porast. Pretože rovnobežné nanotrubičky prepája sieť priečnych vlákien, pri odvíjaní zo základnej vrstvy „lesa“ (pozri video v závere článku) jednotlivé trubičky na seba nadväzujú a vytvárajú dlhý súbežný zväzok ohybných uhlíkových „nanohadičiek“. V celej štruktúre je podstatne viac vzduchu, než pevného materiálu, preto má veľmi nízku hustotu: 1,5 mg/cm³. Je doslova vzdušne ľahký – jeden gram aerogélu by pokrylo plochu s rozlohou viac ako 30 m².

Ak sa do zväzku takýchto vláken, ktorý imituje umelý sval, zavedie elektrické napätie, steny nanotrubičiek sa elektricky záporne nabijú a tento rovnaký náboj ich navzájom odpudzuje. Tak dochádza k takmer okamžitému roztiahnutiu zväzku do trojnásobnej šírky. Náš sval sa pri kontrakcii rozšíri o 20 až 40 %, ten umelý až o 220 %. Navyše to zvláda 4 tisíc krát rýchlejšie (počítajúc súčin frekvencie a miery expanzie). Za sekundu stihne až 1000 kontrakcií bez toho, aby sa poškodil. Ak však zväzok vlákien budeme naťahovať v pozdĺžnom smere, zistíme, že sa zúži, vlákna sa nahustia k sebe, no predĺžia sa asi len o 2 percentá a budú urputne odolávať roztrhnutiu. V smere pozdĺž vlákien je tento uhlíkový aerogél takmer nepružný, no v ťahu veľmi pevný. Pevnejší než oceľ. To spôsobuje, že je asi 32 krát silnejší než ľudský sval.

Aj optické vlastnosti nového materiálu sú zaujímavé a perspektívne pre využitie. Svetlo lomí do smeru kolmého na usporiadanie nanotrubičiek a pomocou zmeny ich vzájomného rozostupu, teda pomocou zmeny hustoty  je možné uhol lomu selektívne regulovať pre rôzne frekvencie.

"Náš objav metódy výroby týchto vrstiev uhlíkových nanotrubičiek, ich zvláštne vlastnosti a im zodpovedajúci pozoruhodný výkon v podobe umelých svalov je len začiatok príbehu, ktorý budú novými smermi rozvíjať výskumníci na celom svete," predpovedá profesor chémie a riaditeľ Ústavu pre nanotechnológie Texaskej univerzity profesor Ray Baughman. „Predpokladám, že tento príbeh bude mať šťastný koniec v podobe nových výsledkov v prospech ľudstva."

A / umelý sval – zväzok uhlíkových vlákien bez elektrického napätia
B/ priečna expanzia zväzku pod napätím 5 kV
C/ priečna expanzia zväzku pod napätím 5 kV a pri teplote 1 500 K (1227 ºC)

Kombinácia vlastností: vodivosť, veľká pružnosť v jednom smere, vysoká pevnosť v druhom, extrémna odolnosť, priesvitnosť otvárajú pre tento nový materiál široké pole možného využitia. Aerogél v stave maximálnej expanzie môže byť zafixovaný a upevnený na podložku. Tak môže slúžiť ako priesvitná elektróda pokrývajúca povrch solárnych článkov. V aerogéle sú duté kanáliky nanometrových rozmerov, ktoré môžu zachytávať a viesť elektróny na dlhé vzdialenosti. Umelé svaly mechanických robotických rúk budú pravdepodobne tým najvýznamnejším využitím tohto flexibilného, zmenou elektrického napätia ovládateľného materiálu. Extrémne teploty, pri ktorých bola úspešne overená jeho funkčnosť ho uprednostňujú na využitie v otvorenom kozmickom priestore, či v prostredí taviacich a spaľovacích komôr.

Video – aerogél z uhlíkových nanotrubičiek je veľmi ľahký. Podľa Raya Baughmana je najľahším, človekom vytvoreným pevným materiálom.

 Animácia expanzie aerogélu – ak sa do zväzku uhlíkových nanotrubičiek zavedie elektrické napätie, povrch vlákien sa nabije a tak sa navzájom odpudzujú. Dochádza k trojnásobnej priečnej expanzii materiálu.

Odkaz na stránku Texaskej univerzity. Na stránke je tlačová správa o umelom svale a na pravej strane stránky je šesťminútové video o tvorbe a vlastnostiach aerogélu. Je vďaka obrazu zrozumiteľnejšie, než ľubovoľný pokus o opis.

 
Zdroj:  Nature News 

University of Texas at Dallas