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Músculos de nanotubos de carbono ultrafuertes
Al convertir nanotubos de carbono en hilo de una fracción del ancho de un cabello humano, los investigadores han desarrollado músculos artificiales que ejercen 100 veces la fuerza, por área, de un músculo natural. Esto es de acuerdo con Ray Baughman , director de la Instituto de Nanotecnología de la Universidad de Texas en Dallas , quien presentó la investigación en Boston la semana pasada en la conferencia de la Materials Research Society.
Los hilos de nanotubos de carbono como éste se pueden utilizar como potentes actuadores.
Los músculos artificiales, actuadores basados en materiales tales como ciertos tipos de metales y polímeros que se encogen, crecen o cambian de forma, son útiles para prótesis de extremidades, máquinas a microescala y robots. Nuestro mayor problema en este momento [en el desarrollo de músculos artificiales] es [que] el nivel de fuerza que se genera no es alto, dice Yoseph Bar-Cohen, científico investigador principal del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en Pasadena, CA. Los nanotubos de carbono potencialmente pueden crear una fuerza enorme.
Baughman ha desarrollado previamente actuadores de nanotubos de carbono que convierten la energía del hidrógeno en fuerza mecánica. Utiliza una configuración similar a una pila de combustible en la que los electrodos de nanotubos de carbono recubiertos de catalizador también actúan como actuadores, cambiando de tamaño en respuesta a la carga eléctrica. Desafortunadamente, las láminas de los nanotubos de carbono empleados en estos experimentos no hacen un buen uso de la resistencia de los nanotubos de carbono. De hecho, encontrar un material de nanotubos de carbono que utilice la extraordinaria fuerza de las moléculas de nanotubos individuales ha sido un desafío de investigación.
En el último trabajo de Baughman, realizado en colaboración con John Madden en la Universidad de Columbia Británica, los investigadores hicieron actuadores con hilos de nanotubos de carbono. Los hilos se crean al crecer primero nanotubos densamente empaquetados, cada uno de unos 100 micrómetros de largo. Luego, los nanotubos de carbono se recolectan de una parte de este campo y se hilan en hilos largos y delgados. El hilo de nanotubos puede tener solo el 2 por ciento del ancho de un cabello, ni siquiera visible, pero más de un metro de largo. Según Baughman, hacer girar estos hilos era como arrastrar un pez con una línea invisible. En su presentación de la conferencia, describió hilos que podrían soportar cargas 150 veces mayores que los papeles de nanotubos.
Sin embargo, queda mucho por hacer en el desarrollo de los materiales. Por un lado, a medida que se aplican mayores cargas a los actuadores, pueden comenzar a mostrar fluencia, es decir, no regresan completamente a su estado original con ciclos sucesivos. Baughman dice que antes de que estos actuadores puedan ser útiles, se debe eliminar la fluencia. Bajo carga, el ciclo no es reversible; tienes un poco de fluencia. En la mayoría de las aplicaciones de actuadores, no desea ningún deslizamiento.
Otro problema clave es la ampliación a partir de subprocesos individuales delgados. Aunque los músculos de nanotubos de carbono pueden superar a los músculos naturales por área, ejerciendo 100 veces la fuerza, los músculos naturales son mucho más grandes, lo que los hace más fuertes. Este problema de ampliación ha sido un desafío para los músculos artificiales en general, razón por la cual todavía no pueden vencer a los músculos humanos en funciones como la lucha de brazos, dice Bar-Cohen.
A pesar de los desafíos, el trabajo de Baughman hasta ahora representa importantes avances para los músculos artificiales basados en nanotubos de carbono. [Baughman] realmente ha llevado esto muy lejos en términos de procesamiento, dice Elizabeth Smela , profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Maryland. El hecho de que pueda formar láminas conductoras transparentes, hilos y otros materiales a partir de estos nanotubos de carbono es atractivo. El procesamiento es muy importante. Puedes tener un material prometedor, pero si no sabes cómo procesarlo para sacarle provecho, no te servirá de mucho.