Nieuwe kunstmatige spieren die draaien als de slurf van een olifant, maar zorgen voor een duizend keer hogere rotatie per lengte, werden op 13 oktober aangekondigd voor een publicatie in Wetenschap tijdschrift door een team van onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas, De Universiteit van Wollongong in Australië, De Universiteit van Brits-Columbia in Canada, en Hanyang University in Korea.

Deze spieren, op basis van koolstof nanobuisjes garens, versnel een 2000 keer zwaardere peddel tot 590 omwentelingen per minuut in 1,2 seconden, en keer deze rotatie vervolgens om wanneer de aangelegde spanning wordt gewijzigd. De aangetoonde rotatie van 250 per millimeter spierlengte is meer dan duizend keer die van eerdere kunstmatige spieren, die zijn gebaseerd op ferro-elektriciteit, vormgeheugen legeringen, of geleidende organische polymeren. Het uitgangsvermogen per garengewicht is vergelijkbaar met dat van grote elektromotoren, en de gewicht-genormaliseerde prestaties van deze conventionele elektromotoren nemen ernstig af wanneer ze worden verkleind tot millimeterschaal.

Deze spieren exploiteren sterke, moeilijk, zeer flexibele garens van koolstofnanobuisjes, die bestaan ​​uit koolstofcilinders op nanoschaal die tienduizend keer kleiner in diameter zijn dan een mensenhaar. Belangrijk voor succes, deze nanobuisjes worden gesponnen tot spiraalvormige garens, wat betekent dat ze links- en rechtshandige versies hebben (zoals onze handen), afhankelijk van de draairichting tijdens het draaien van de nanobuisjes om garen te maken. Rotatie is torsie, wat betekent dat twist in één richting optreedt totdat een beperkende rotatie resulteert, en vervolgens kan de rotatie worden omgekeerd door de aangelegde spanning te veranderen. Linkse en rechtse garens draaien in tegengestelde richting wanneer ze elektrisch geladen zijn, maar in beide gevallen is het effect van opladen het gedeeltelijk losdraaien van het garen.

In tegenstelling tot conventionele motoren, waarvan de complexiteit het moeilijk maakt ze te miniaturiseren, de torsie-koolstof nanobuisspieren zijn eenvoudig goedkoop te construeren in zeer lange of millimeterlengtes. De torsiemotoren van nanobuisjes bestaan ​​uit een garenelektrode en een tegenelektrode, die zijn ondergedompeld in een ionisch geleidende vloeistof. Een laagspanningsbatterij kan als stroombron dienen, waardoor elektrochemische lading en ontlading van het garen torsierotatie in tegengestelde richtingen mogelijk maakt. In het eenvoudigste geval de onderzoekers bevestigen een peddel aan het nanobuisgaren, waardoor torsierotatie nuttig werk kan doen, zoals het mengen van vloeistoffen op "microfluïdische chips" die worden gebruikt voor chemische analyse en detectie.

Het mechanisme van torsierotatie is opmerkelijk. Het opladen van de nanobuisgarens is als het opladen van een supercondensator - ionen migreren in de garens om de elektronische lading die elektrisch op de nanobuisjes wordt geïnjecteerd elektrostatisch in evenwicht te brengen. Hoewel de garens poreus zijn, deze instroom van ionen zorgt ervoor dat het garen in volume toeneemt, krimpen in lengte met maximaal een procent, en torsie draaien. Deze verrassende krimp in garenlengte naarmate het volume toeneemt, wordt verklaard door de spiraalvormige structuur van het garen, die qua structuur vergelijkbaar is met speelgoed met vingerboeien dat de vingers van een kind vasthoudt wanneer het langwerpig is, maar bevrijdt ze wanneer ze worden ingekort.

De natuur gebruikt al honderden miljoenen jaren torsierotatie op basis van spiraalvormig gewonden spieren. en exploiteert deze actie voor taken als het draaien van de slurf van olifanten en octopus-ledematen. In deze natuurlijke aanhangsels, spiraalvormig gewonden spiervezels veroorzaken rotatie door samen te trekken tegen een in wezen onsamendrukbare, botloze kern. Anderzijds, de spiraalvormig gewonden koolstof nanobuisjes in de nanobuis garens ondergaan weinig verandering in lengte, maar zorgen er in plaats daarvan voor dat het volume van vloeibare elektrolyt in het poreuze garen toeneemt tijdens elektrochemisch opladen, zodat torsierotatie optreedt.

De combinatie van mechanische eenvoud, gigantische torsierotaties, hoge rotatiesnelheden, en micron-formaat garendiameters zijn aantrekkelijk voor toepassingen, zoals microfluïdische pompen, klepaandrijvingen, en mixers. In een fluidic mixer gedemonstreerd door de onderzoekers, een garen met een diameter van 15 micron roteerde een 200 keer grotere straal en 80 keer zwaardere peddel in stromende vloeistoffen met maximaal één omwenteling per seconde.

"De vondst, karakteriseren, en begrip van deze krachtige torsiemotoren toont de kracht van internationale samenwerkingen aan", zei Ray H. Baughman, een corresponderende auteur van de auteur van het Science-artikel en Robert A. Welch Professor of Chemistry en directeur van The University of Texas in Dallas Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. "Onderzoekers van vier universiteiten op drie verschillende continenten die in acht verschillende landen zijn geboren, hebben een uiterst belangrijke bijdrage geleverd."