Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het DOE (Berkeley Lab) en de University of California, Berkeley, hebben een elegante en krachtige nieuwe microschaalactuator ontwikkeld die kan buigen als een kleine wenkende vinger. Gebaseerd op een oxidemateriaal dat dramatisch uitzet en krimpt als reactie op een kleine temperatuurvariatie, de actuatoren zijn kleiner dan de breedte van een mensenhaar en zijn veelbelovend voor microfluïdica, medicijnafgifte, en kunstmatige spieren.

"Wij geloven dat onze microactuator efficiënter en krachtiger is dan elke huidige microschaalactuatortechnologie, inclusief menselijke spiercellen, ", zegt Berkeley Lab en UC Berkeley-wetenschapper Junqiao Wu. "Bovendien, het gebruikt dit zeer interessante materiaal - vanadiumdioxide - en vertelt ons meer over de fundamentele materiaalwetenschap van faseovergangen."

Wu is corresponderend auteur van een artikel dat verschijnt in Nano-letters deze maand die deze bevindingen rapporteert, getiteld "Giant-Amplitude, High-Work Density Microactuators met Phase Transition Activated Nanolayer Bimorphs." Zoals vaak gebeurt in de wetenschap, Wu en zijn collega's kwamen per ongeluk op het idee van een microactuator, terwijl je een ander probleem bestudeert.

Vanadiumdioxide is een schoolvoorbeeld van een sterk gecorreleerd materiaal, wat betekent dat het gedrag van elk elektron onlosmakelijk verbonden is met zijn naburige elektronen. Het resulterende exotische elektronische gedrag heeft vanadiumdioxide decennia lang tot een object van wetenschappelijk onderzoek gemaakt, veel ervan was gericht op een ongewoon paar faseovergangen.

Bij verhitting tot boven de 67 graden Celsius, vanadiumdioxide transformeert van een isolator naar een metaal, vergezeld van een structurele faseovergang die het materiaal in één dimensie krimpt terwijl het uitzet in de andere twee. Al decenia, onderzoekers hebben gedebatteerd of een van deze faseovergangen de andere aandrijft of dat het afzonderlijke verschijnselen zijn die toevallig bij dezelfde temperatuur optreden.

Wu wierp licht op deze vraag in eerder werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , waarin hij en zijn collega's de twee fase-overgangen in monokristallijne nanodraden van vanadiumdioxide isoleerden en aantoonden dat ze scheidbaar zijn en onafhankelijk kunnen worden aangestuurd. Het team kwam in de problemen met de experimenten, echter, toen de nanodraden van hun elektrodecontacten braken tijdens de structurele faseovergang.

"Bij de overgang een 100 micron lange draad krimpt ongeveer 1 micron, die het contact gemakkelijk kan verbreken, " zegt Wu, die een dubbele aanstelling heeft als hoogleraar bij de afdeling Materials Sciences and Engineering van UC Berkeley. "Dus begonnen we de vraag te stellen:dit is slecht, maar kunnen we er iets goeds van maken? En bediening is de natuurlijke toepassing."

Om te profiteren van de krimp, de onderzoekers maakten een vrijstaande strook vanadiumdioxide met daarop een chroommetaallaag. Wanneer de strip wordt verwarmd via een kleine elektrische stroom of een flits van laserlicht, het vanadiumdioxide trekt samen en de hele strook buigt als een vinger.

"De verplaatsing van onze microactuator is enorm, " zegt Wu, "tientallen microns voor een actuatorlengte van dezelfde orde van grootte - veel groter dan je kunt krijgen met een piëzo-elektrisch apparaat - en tegelijkertijd met een zeer grote kracht. Ik ben erg optimistisch dat deze technologie concurrerend zal worden met piëzo-elektrische technologie, en misschien zelfs vervangen."

Piëzo-elektrische aandrijvingen zijn de industriestandaard voor mechanische aandrijving op microschalen, maar ze zijn moeilijk te kweken, grote spanningen nodig voor kleine verplaatsingen, en omvatten typisch giftige materialen zoals lood. "Maar ons apparaat is heel eenvoudig, het materiaal is niet giftig, en de verplaatsing is veel groter bij een veel lagere stuurspanning, " zegt Wu. "Je kunt het zien bewegen met een optische microscoop! En het werkt even goed in water, waardoor het geschikt is voor biologische en microfluïdische toepassingen."

De onderzoekers stellen zich voor om de microactuators te gebruiken als kleine pompjes voor medicijnafgifte of als mechanische spieren in microschaalrobots. In die toepassingen De uitzonderlijk hoge werkdichtheid van de actuator - het vermogen dat hij per volume-eenheid kan leveren - biedt een groot voordeel. Ons voor ons, de vanadiumdioxide-actuatoren leveren een kracht die drie orden van grootte groter is dan die van menselijke spieren. Wu en zijn collega's werken al samen met het Berkeley Sensing and Actuation Center om hun actuatoren te integreren in apparaten voor toepassingen zoals stralingsdetectierobots voor gevaarlijke omgevingen.

Het volgende doel van het team is om een ​​torsie-actuator te maken, wat een veel uitdagender vooruitzicht is. Wu explains:"Torsion actuators typically involve a complicated design of gears, shafts and/or belts, and so miniaturization is a challenge. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."