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Músculos de nanotubos resistentes al calor, ligeros como el aire
Las cintas de nanotubos de carbono desarrolladas por investigadores de la Universidad de Texas en Dallas son más fuertes que el acero, tan elásticas como el caucho y tan ligeras como el aire. Las cintas, que están hechas de nanotubos largos entrelazados de 11 nanómetros de espesor, pueden estirarse más de tres veces su ancho normal, pero son más rígidas y resistentes que el acero o el Mylar a lo largo. Pueden expandirse y contraerse miles de veces y soportar temperaturas que oscilan entre -190 y más de 1.600 ° C. Es más, son casi tan ligeros como el aire y transparentes, conductores y flexibles.
Tubos de globo: Esta ilustración muestra el interior de una tira de dos milímetros de ancho de un material aireado de nanotubos de carbono que se expande a más de tres veces su ancho cuando se le aplica un voltaje de cinco kilovoltios.
El material, presentado en la revista Ciencias esta semana, fue desarrollado por Ray Baughman , director de la Instituto de nanotecnología en UT Dallas, que está desarrollando varios tipos de músculos artificiales basados en nanotubos de carbono para prótesis y robótica. Estos materiales cambian de forma y tamaño en respuesta a señales eléctricas o químicas; algunos se expanden hasta en un 1 por ciento y ejercen 100 veces más fuerza que el músculo humano natural sobre la misma área.
Los nuevos actuadores, por otro lado, se expanden hasta en un 200 por ciento, pero generan pequeñas fuerzas por unidad de área, lo que los hace menos que ideales para muchas aplicaciones, incluida la robótica. Sin embargo, sus propiedades novedosas, especialmente su rango de temperatura, podrían abrir nuevas y emocionantes aplicaciones. Ninguna otra tecnología de actuador puede proporcionar actuación a estas temperaturas extremas, dice Baughman. Y estas tasas de actuación son gigantes.
Qibing Pei , profesor de ingeniería y ciencia de los materiales en la Universidad de California en Los Ángeles, cree que el material podría ser un buen candidato para las alas de los aviones que cambian de forma. Pei ha desarrollado actuadores de polímero que se expanden hasta en un 400 por ciento y funcionan entre -40 y 200 ° C.
Dado que las cintas de nanotubos son ultraligeras y pueden soportar temperaturas extremas, quizás también podrían ser útiles para fabricar piezas de naves espaciales que cambian de forma, dice Yoseph Bar-Cohen , científico investigador senior del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, en Pasadena, CA. Es emocionante que el material se comporte de esta manera en un amplio rango de temperatura, dice. De un lado tenemos a Marte y del otro lado tenemos a Venus. Sus temperaturas están dentro del rango de rendimiento de este material.
Pero por ahora, Baughman y sus colegas se están enfocando en aplicaciones ópticas para el material. Debido a que los nanotubos de carbono son altamente conductores, las láminas flexibles tal vez podrían usarse para fabricar electrodos para células solares y diodos emisores de luz orgánicos con transparencia y conductividad controlable. Para esa aplicación, desea ajustar la densidad de los nanotubos de carbono por unidad de área, dice Baughman. Eso determina cuánta transparencia tiene la hoja. En el Ciencias En papel, los investigadores muestran que las cintas pueden depositarse sobre un sustrato de silicio en su estado expandido y más transparente. Las cintas también difractan la luz, por lo que quizás puedan resultar útiles en las comunicaciones ópticas. Cambiar sus dimensiones envía diferentes longitudes de onda de luz en diferentes direcciones.
Los investigadores fabrican el material cultivando nanotubos de carbono entrelazados y luego tirando haces de nanotubos entrelazados en cintas. Cuando se aplica voltaje a las tiras, los nanotubos se cargan y se empujan entre sí, haciendo que el material se expanda. Normalmente vuelve a su estado original cuando se quita el voltaje.
Es probable que las cintas todavía necesiten generar más fuerza antes de que sean prácticas para muchas aplicaciones. En este momento, generan 32 veces más fuerza por unidad de área que los músculos del corazón, lo cual es mucho para sus dimensiones a nanoescala, dice Ian Hunter , profesor de ingeniería mecánica en el MIT. Sin embargo, los polímeros electroactivos generan hasta ocho veces más fuerza por unidad de área que las láminas de nanotubos. Para el músculo artificial, necesita un gran cambio en la fuerza junto con un gran cambio en la longitud, dice Hunter.
Los actuadores de polímero también necesitan solo unos pocos voltios para contraerse. Las cintas, por el contrario, requieren de tres a cinco kilovoltios, lo que Hunter dice que es demasiado alto para su uso en humanos y más alto que lo ideal para la robótica. Sin embargo, agrega que las cintas de nanotubos encontrarán muchas aplicaciones importantes porque cambian de dimensión mucho más rápido que los actuadores de polímero existentes.
La densidad ultrabaja de las láminas podría ser la razón por la que no generan grandes fuerzas. John Madden , profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá, sugiere que una forma de aumentar la fuerza que suministran podría ser hacer las láminas más densas y aumentar el grado de interbloqueo entre los nanotubos.