Forscher schaffen starke unipolare Kohlenstoff-Nanoröhren-Muskeln
Seit mehr als 15 Jahren stellen Forscher der University of Texas in Dallas und ihre Mitarbeiter in den USA, Australien, Südkorea und China künstliche Muskeln her, indem sie Kohlenstoffnanoröhren oder Polymergarne verdrehen und aufwickeln. Wenn diese Muskeln thermisch angetrieben werden, ziehen sie sich bei Erwärmung in ihrer Länge zusammen und kehren bei Abkühlung in ihre ursprüngliche Länge zurück. Solche thermisch angetriebenen künstlichen Muskeln haben jedoch ihre Grenzen.
In einer Studie, die am 28. Januar in der Fachzeitschrift "Science" online veröffentlicht wurde, beschreiben Forscher der University of Texas at Dallas und ihre Kollegen, wie sie leistungsstarke, unipolare elektrochemische Garnmuskeln herstellen, die sich bei schnellerem Antrieb stärker zusammenziehen. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt einen gewickelten unipolaren Muskel, der aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht und mit Poly(natrium-4-styrolsulfonat) beschichtet ist. Der äußere Spulendurchmesser beträgt etwa 140 Mikrometer, etwa doppelt so groß wie der eines menschlichen Haares.
University of Texas at Dallas
Elektrochemisch angetriebene Muskeln aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) bieten einen alternativen Ansatz, um den wachsenden Bedarf an schnellen, leistungsstarken, großhubigen künstlichen Muskeln für Anwendungen von der Robotik über Herzpumpen bis hin zu morphingfähiger Kleidung zu decken.
"Elektrochemisch angetriebene Muskeln sind besonders vielversprechend, da ihre Energieumwandlungseffizienz nicht durch die thermodynamische Wärmekraftmaschinengrenze von thermischen Muskeln eingeschränkt ist und sie große Kontraktionshübe aufrechterhalten können, während sie schwere Lasten tragen, ohne signifikante Energie zu verbrauchen", sagte Dr. Ray Baughman, der Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemie und Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute an der UT Dallas. "Im Gegensatz dazu benötigen menschliche Muskeln und thermisch angetriebene Muskeln eine große Menge an Eingangsenergie, um schwere Lasten zu tragen, auch wenn sie keine mechanische Arbeit verrichten."
In einer Studie, die am 28. Januar online in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, beschreiben die Forscher, wie sie leistungsstarke, unipolare elektrochemische Garnmuskeln schaffen, die sich stärker zusammenziehen, wenn sie schneller angetrieben werden, und damit wichtige Probleme lösen, die die Anwendungen für diese Muskeln eingeschränkt haben.
Elektrochemisch betriebene CNT-Garnmuskeln werden durch Anlegen einer Spannung zwischen dem Muskel und einer Gegenelektrode betätigt, die Ionen aus einem umgebenden Elektrolyten in den Muskel treibt.
Aber es gibt Einschränkungen für elektrochemische CNT-Muskeln. Erstens ist die Muskelbetätigung bipolar, d.h. die Muskelbewegung - entweder Ausdehnung oder Kontraktion - wechselt während eines Potenzialscans die Richtung. Das Potenzial, bei dem der Hub die Richtung wechselt, ist das Potenzial der Nullladung, und die Rate, mit der sich das Potenzial über die Zeit ändert, ist die Potenzialabtastrate.
Ein weiteres Problem: Ein bestimmter Elektrolyt ist nur in einem bestimmten Spannungsbereich stabil. Außerhalb dieses Bereichs bricht der Elektrolyt zusammen.
"Bisherige Garnmuskeln können nicht den vollen Stabilitätsbereich des Elektrolyten nutzen", so Baughman, korrespondierender Autor der Studie. "Außerdem nimmt die Kapazität des Muskels - seine Fähigkeit, die für die Betätigung benötigte Ladung zu speichern - mit zunehmender Potentialabtastrate ab, was dazu führt, dass der Hub des Muskels mit zunehmender Betätigungsrate drastisch abnimmt."
Um diese Probleme zu lösen, entdeckten die Forscher, dass die inneren Oberflächen der gewickelten Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fäden mit einem geeigneten ionisch leitenden Polymer beschichtet werden können, das entweder positiv oder negativ geladene chemische Gruppen enthält.
"Diese Polymerbeschichtung wandelt die normale bipolare Betätigung von Kohlenstoff-Nanoröhren-Garnen in eine unipolare Betätigung um, bei der der Muskel über den gesamten Stabilitätsbereich des Elektrolyten in eine Richtung betätigt wird", so Baughman. "Dieses lange gesuchte Verhalten hat überraschende Konsequenzen, die elektrochemische Kohlenstoff-Nanoröhren-Muskeln viel schneller und leistungsfähiger machen."
Chemie-Doktorand Zhong Wang, ein Co-Erstautor der Studie, erklärte die zugrunde liegende Wissenschaft: "Das dipolare Feld des Polymers verschiebt das Potenzial der Nullladung - das ist der Punkt, an dem die elektronische Ladung auf den Nanoröhren das Vorzeichen wechselt - außerhalb des Stabilitätsbereichs des Elektrolyten. Daher werden Ionen mit nur einem Vorzeichen elektrochemisch injiziert, um diese elektronische Ladung zu kompensieren, und der Hub des Muskels ändert sich in eine Richtung über den gesamten nutzbaren Potenzial-Scanbereich."
Dr. Jiuke Mu, außerordentlicher Forschungsprofessor am UT Dallas NanoTech Institute und Co-Erstautor, sagte, dass die Polymerbeschichtung hilft, das Kapazitätsproblem von elektrochemischen Fadenmuskeln zu lösen.
"Die Anzahl der Lösungsmittelmoleküle, die von jedem Ion in den Muskel gepumpt werden, steigt bei einigen unipolaren Muskeln mit zunehmender Potenzialabtastrate, was die effektive Ionengröße erhöht, die die Betätigung antreibt", sagte Mu. "So kann der Muskelhub mit zunehmender Potenzial-Scanrate um den Faktor 3,8 zunehmen, während der Hub von Muskeln aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Garn ohne die Polymerbeschichtung bei den gleichen Änderungen der Potenzial-Scanrate um den Faktor 4,2 abnimmt."
Die Fortschritte liefern elektrochemische unipolare Muskeln, die sich zusammenziehen, um eine maximale durchschnittliche mechanische Ausgangsleistung pro Muskelgewicht von 2,9 Watt/Gramm zu erzeugen, was etwa dem 10-fachen der typischen Fähigkeit des menschlichen Muskels und etwa dem 2,2-fachen der gewichtsnormierten Leistungsfähigkeit eines aufgeladenen V-8-Dieselmotors entspricht.
Die Polymerbeschichtung, die zur Erzielung dieser Ergebnisse verwendet wurde, war Poly(natrium-4-styrolsulfonat), das für die Verwendung als Arzneimittel zugelassen und preiswert genug für den Einsatz in der Wasserenthärtung ist. Die Einarbeitung dieses Polymer-Gastes ermöglichte den praktischen Betrieb eines Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Muskels von hohen Temperaturen bis unter minus 30 Grad Celsius.
Wang sagte, dass das Team auch entdeckte, dass unipolares Verhalten, ohne Abtastratenerhöhung, erreicht werden konnte, wenn Graphenoxid-Nanoplättchen innerhalb des Garnmuskels unter Verwendung eines Biscroll-Prozesses eingearbeitet wurden, den die Forscher der UT Dallas entwickelt und patentiert haben.
"Die Verwendung dieses Gastes zur Bereitstellung der dipolaren Felder, die für ein unipolares Verhalten benötigt werden, erhöhte die maximale durchschnittliche kontraktile mechanische Leistung des Muskels auf bemerkenswerte 8,2 Watt/Gramm, was dem 29-fachen der maximalen Leistungsfähigkeit eines menschlichen Muskels gleichen Gewichts und etwa dem 6,2-fachen eines aufgeladenen V-8-Dieselmotors entspricht", sagte Wang.
"Wir haben auch entdeckt, dass zwei verschiedene Arten von unipolaren Fadenmuskeln, jeweils mit Scan-Rate-verstärkten Hüben, kombiniert werden können, um einen Dual-Elektrode, all-solid-state Fadenmuskel zu machen, wodurch die Notwendigkeit für ein flüssiges Elektrolytbad eliminiert wird", sagte Wang. "Ein Festkörperelektrolyt wird verwendet, um zwei gewickelte Kohlenstoff-Nanoröhren-Garne miteinander zu verbinden, die unterschiedliche Polymer-Gäste enthalten, von denen einer negativ geladene Substituenten und der andere positiv geladene Substituenten hat. Beide Fäden ziehen sich während des Aufladens zusammen und tragen durch die Injektion von positiven bzw. negativen Ionen additiv zur Betätigung bei. Diese unipolaren Muskeln mit dualen Elektroden wurden gewebt, um betätigende Textilien herzustellen, die für morphende Kleidung verwendet werden könnten."
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