Actuatoren zijn apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische energie, zoals het batterijgevoede apparaat in een mobiele telefoon waardoor de telefoon trilt. Wanneer dit proces wordt omgekeerd -- wanneer een apparaat mechanische energie omzet in elektrische energie -- wordt het apparaat een energieoogstmachine genoemd, en dat elektrische energie vaak wordt opgeslagen voor toekomstig gebruik. Een voorbeeld is een apparaat in een pacemaker dat mechanische energie die wordt gecreëerd door de beweging van een paar ademende longen omzet in elektrische energie die kan worden gebruikt om de batterijen van de pacemaker op te laden.

Beide apparaten bevatten doorgaans elektromechanische materialen, zoals elektroactieve polymeren, die zijn gemaakt van kettingachtige moleculen die in grootte of vorm veranderen wanneer ze worden gestimuleerd door een elektrisch veld. Maar hun efficiëntie en snelheid hangen af ​​van hoe snel ionen, of elektrisch geladen deeltjes, kan bewegen tussen elektroden, of de geleiders waar elektrische stroom doorheen gaat, om de grootte of vorm van het polymeer te veranderen. De snellere ionen kunnen tussen elektroden bewegen, hoe meer ionische geleidbaarheid die elektroden zullen hebben en hoe beter het materiaal zal reageren op het elektrische veld. Hoewel deze polymeren meestal nanodeeltjes bevatten die willekeurig door het materiaal zijn verspreid om het geleidend te maken, dit vertraagt ​​​​ionen door ze te dwingen in zigzagpaden rond de kleine deeltjes te reizen.

Onlangs, een MIT-onderzoeker werkte samen met een team van elektrotechnici van de Pennsylvania State University om een ​​nieuwe manier te bedenken waarop ionen sneller tussen elektroden kunnen reizen dan in traditionele polymeren. Brian L. Wardle, universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart, en zijn collega's ontwierpen elektroden met uitgelijnde koolstofnanobuisjes - kleine, holle cilinders gemaakt van koolstofatomen - voor gebruik in een elektroactief polymeer. Zoals ze rapporteren in een paper dat op 8 oktober wordt gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , deze uitlijning creëerde "express rijstroken" waardoor de ionen sneller tussen elektroden konden reizen. specifiek, de onderzoekers schatten dat de ionische geleidbaarheid van deze elektroden ongeveer een orde van grootte groter is dan die van elektroden in polymeren die willekeurig verspreide nanodeeltjes bevatten.

Wardle en zijn collega's, waaronder Qiming M. Zhang, een professor in de elektrotechniek aan Penn State, en hoofdauteur Sheng Liu, een van de afgestudeerde studenten van Zhang, aangetoond dat de uitgelijnde koolstof-nanobuis-elektroden de ionenprestaties in een actuator kunnen verbeteren, wat betekent dat ze kunnen worden geoptimaliseerd voor toepassingen zoals kunstmatige spieren en robots.

De onderzoekers stellen dat de apparaten kunnen worden gebruikt als energieoogstmachines via een omgekeerd conversieproces. Er is een enorme belangstelling voor het ontwikkelen van energieoogstmachines voor grootschalige toepassingen, zoals om elektrische energie te creëren uit de beweging van wind of oceaangolven, zegt Wardle. De apparaten kunnen ook worden gebruikt om enorme netwerken van microscopische sensoren van stroom te voorzien in moeilijk bereikbare gebieden zoals ondergrondse leidingen.

Samengestelde creatie

Het doel van de onderzoekers was om een ​​composiet te ontwerpen die zou kunnen functioneren als een superieure elektrode. Door aardgas te verhitten en bloot te stellen aan een metaalkatalysator, Wardle en een aantal van zijn afgestudeerde studenten kweekten de elektrisch geleidende koolstofnanobuisjes en goten er een polymeer gemengd in een oplosmiddel over. Zodra het oplosmiddel verdampt, het liet een solide, ionporeus composiet dat zowel polymeer- als koolstofnanobuisjes bevat. De onderzoekers gebruikten deze composiet vervolgens om een ​​structuur te creëren die bestaat uit één laag puur polymeer (om als een isolator te werken) die zowel positieve als negatieve ionen bevat, ingeklemd tussen twee lagen van de composiet gemaakt van zowel polymeer- als koolstofnanobuisjes (om als elektroden te werken) .

Om de actuatorcapaciteiten van de structuur te testen, de onderzoekers pasten een elektrisch veld met een laag voltage toe. Deze spanning zorgde ervoor dat ionen van de ene elektrodelaag naar de andere vloeiden, waardoor één kant van de structuur meer ionen bevatte. Deze onbalans van ionen veroorzaakte genoeg druk om de hele structuur te laten buigen, waardoor mechanische energie ontstaat. Het experiment onthulde ook dat het ontwerp van de composietelektrode hielp om de elektrische weerstand te minimaliseren.

De onderzoekers denken dat hetzelfde apparaat kan worden gebruikt als energieoogstmachine als het mechanisch wordt belast, bijvoorbeeld door compressie. Dat komt omdat compressie de ionen anders zou laten bewegen, wat een onevenwichtige elektrische lading zou veroorzaken. Dit, beurtelings, zou een spanningsverschil creëren en een stroom van elektriciteit produceren.

Ontwerp optimaliseren

Joseph Bar Cohen, een senior onderzoeker bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA, zegt dat de studie een verbetering van ionische polymeren aantoont. Maar hij is benieuwd naar de reactie van het apparaat over langere tijd, opmerkend dat de huidige studie beperkt was tot slechts een experiment van 10 minuten.

Terwijl ze deze elektroden ontwikkelen, Wardle en zijn medewerkers proberen een optimaal ontwerp te bepalen. Nu ze hebben aangetoond hoe effectief koolstofnanobuisjes zijn voor de efficiëntie van de elektroden, ze onderzoeken bepaalde details die optimale prestaties mogelijk maken, zoals de afstand tussen de kleine buisjes.