Штучні м’язи з нанотрубкових аерогелів
Штучні м'язи з нанотрубкових аерогелів
Штучними м'язами прийнято називати матеріали, здатні перетворювати різні види енергії - електричну, хімічну, термічну та ін - в механічну енергію і робити для нас корисну роботу. Крім цього, такі матеріали мають бути міцними і здатними розвивати значне зусилля.
Дослідники із США виготовили штучні м'язи зі смужок нанотрубкових аерогелів, які утворюються при розтягуванні лісу вуглецевих нанотубок. Виходить матеріал із поздовжньо орієнтованих пучків нанотрубок, який складається головним чином з повітря і має щільність близько 1.5 мг/см3 (1.3 мг/см3 для повітря при н. у.). Через анізотропну структуру смужки мають велику жорсткість лише в поздовжньому напрямку і досить м'які у поперечному.
В основі роботи м'язів лежить явище кулонівського відштовхування трубок при подачі на смужку аерогелю високої напруги щодо заземленого електрода. У разі відбувається розширення смуги до 220% зі швидкістю 37000 % на секунду. При цьому смуга також на кілька відсотків зменшується в поздовжньому напрямку, що призводить до виникнення значної механічної напруги, яка в 30 разів більша, ніж у м'язів тварин. Крім того, матеріал може працювати при температурах від 80 до 1900 К.
Смужки аерогелю мають ще одну цікаву властивість. Вони спостерігаються високі значення коефіцієнта Пуассона, що дорівнює відношенню значень відносної поперечної деформації тіла до відносної поздовжньої деформації. У той час як у звичайних матеріалів цей коефіцієнт змінюється від 0 (тендітні тіла) до 0.5 (пружні тіла), у аерогелю він досягає 15, і при подовженні смуги на1% її обсяг знижується на 24% за рахунок значного зменшення ширини та товщини. Ця рідкісна властивість також означає, що у разі рівномірного (гідростатичного) стиснення зразка аерогелю по всіх напрямках його довжина не зменшиться (як, наприклад, у сталі), а навпаки, збільшиться.
Нанотрубкові м'язи перспективні до створення МЕМС/НЕМС, а й за рахунок величезного коефіцієнта Пуассона аерогель можна використовувати як підсилювача деформації. Крім того, щільність смужок може легко змінюватися з кілогерцевими частотами шляхом застосування електричного поля, що є цікавим для оптичних додатків.