Приводы из углеродных нанотрубок
Исключительные электрические и механические свойства углеродных нанотрубок сделали их альтернативой традиционным электрическим приводам как для микроскопических , так и для макроскопических применений. Углеродные нанотрубки очень хорошими проводниками электричества тепла и являются , а также очень прочными и эластичными молекулами в определенных направлениях. Эти свойства трудно найти в одном и том же материале, и они очень необходимы для высокопроизводительных приводов. многостенные углеродные нанотрубки (МУНТ) и пучки МУНТ Для современных приводов из углеродных нанотрубок широко используются , в основном из-за простоты обращения и надежности . Толстые пленки, дисперсные в растворе, и высокоупорядоченные прозрачные пленки из углеродных нанотрубок использовались для макроскопических приложений.
Микроскопические приложения
[ редактировать ]Углеродные нанопинцеты
[ редактировать ]Пинцеты из углеродных нанотрубок были изготовлены путем осаждения пучков МУНТ на изолированные электроды, нанесенные на микропипетки из закаленного стекла . Этими пучками нанотрубок можно механически манипулировать с помощью электричества, а также использовать их для манипулирования и переноса микро- и наноструктур. [ 1 ] Пучки нанотрубок, используемые для пинцетов, имеют диаметр около 50 нм и длину 2 мкм. Под действием электрического смещения два близких набора пучков притягиваются, и их можно использовать как нанопинцеты.
Переключатели включения/выключения нанотрубок и оперативная память
[ редактировать ]Исследователи из Гарварда использовали принцип электростатического притяжения для разработки переключателей включения/выключения для предлагаемых ими устройств оперативной памяти на основе нанотрубок. [ 2 ] Они использовали пучки углеродных нанотрубок диаметром ≈50 нм для изготовления прототипов для проверки концепции. Один набор пучков МУНТ укладывается на подложку , а другой набор пучков укладывается поверх нижележащих пучков нанотрубок с воздушным зазором между ними. При приложении электрического смещения наборы пучков нанотрубок притягиваются, тем самым изменяя электрическое сопротивление . Этими двумя состояниями сопротивления являются состояния «включено» и «выключено». Используя этот подход, была достигнута более чем 10-кратная разница между сопротивлениями в выключенном и включенном состояниях. Кроме того, эту идею можно использовать для создания очень плотно упакованных массивов нанопереключателей и устройств оперативной памяти, если применить их к массивам одностенных углеродных нанотрубок диаметром около 1 нм и сотни микрометров длиной в . Текущей технической проблемой этой конструкции является отсутствие контроля над размещением массивов углеродных нанотрубок на подложке. Этому методу следуют некоторые исследования в Университете Шахида Чамрана в Ахвазе. также. [ 3 ]
Углеродный нанотепловой двигатель
[ редактировать ]Исследовательская группа Шанхайского университета под руководством Тинчонга Чанга обнаружила в углеродных нанотрубках движение, напоминающее домино, которое можно обратить вспять, изменив направление при воздействии разных температур. [ 4 ] Это явление позволяет использовать углеродные нанотрубки в качестве тепловой машины, работающей между двумя источниками тепла.
Макроскопические приложения
[ редактировать ]Листовые электроды из нанотрубок в качестве приводов
[ редактировать ]Исследователи AlliedSignal первоначально продемонстрировали возможность создания приводов с электрическим приводом, изготовленных из листов углеродных нанотрубок. [ 5 ] Они наклеили листы углеродных нанотрубок на две стороны двустороннего скотча и приложили потенциал к листам нанотрубок в NaCl растворе электролита . Листы нанотрубок используются в качестве заполненных электролитом электродов суперконденсатора . Листы нанотрубок электрически заряжаются за счет образования двойного слоя на границе раздела нанотрубка-электролит без необходимости интеркаляции ионов. Таким образом, приводы из листов нанотрубок с электрическим приводом превосходят актуаторы из сопряженных полимеров, которые включают диффузию примесей в твердом состоянии и структурные изменения, ограничивающие скорость, срок службы и эффективность преобразования энергии. С другой стороны, сегнетоэлектрики и электрострикционные материалы также очень полезны для прямого преобразования энергии, но они требуют высоких рабочих напряжений и температуры окружающей среды ограниченного диапазона. Было показано, что приводы из листов нанотрубок работают при низких напряжениях (≈1 вольт или меньше). [ 6 ] и обеспечивают более высокую плотность работы за цикл, чем другие альтернативные технологии. Позже Баугман и др. показали, что реакцию привода можно наблюдать вплоть до частоты переключения 1 кГц, а циклическая работа привода из нанотрубок с постоянной частотой 1 Гц в течение 140 000 циклов уменьшает ход на ≈33%. На актуаторах из листов нанотрубок было измерено напряжение 0,75 МПа, что превышает максимальное напряжение (0,3 МПа), которое может быть нагружено на мышцу человека. [ 7 ]
Максимальная деформация исполнительного механизма для приводов с электроприводом из листов углеродных нанотрубок может быть улучшена до 0,7% в 1 М электролите после отжига листов в инертной атмосфере при очень высоких температурах (1100 °C, 2000 °F) по сравнению с однократным отжигом. -сообщается 0,1% или менее для низких электрохимических потенциалов (≈1 В или менее). [ 7 ] Максимальная деформация актуаторов из листов углеродных нанотрубок при низких напряжениях больше, чем у высокомодульных сегнетокерамических актуаторов (≈0,1%), но ниже, чем у низковольтных (≈0,4 В) проводящих полимерных актуаторов ( ≈3% в направлении пленки, 20% в направлении толщины). [ 8 ] Сообщалось, что частота ударов достигала 215% для деформационно-смещенных низкомодульных электрострикционных каучуков при напряжениях смещения более 1 кВ (что соответствует электрическому полю 239 МВ/м для геометрии, упомянутой в справочной статье). [ 9 ] Спинкс и др. реализовано пневматическое срабатывание из листов углеродных нанотрубок в растворах электролитов с высоким электрохимическим потенциалом (1,5 В), вызывающих газообразование в электролите. Выделившийся газ резко увеличивает ход привода из листа углеродных нанотрубок. Толщина листа углеродных нанотрубок увеличивается на ≈300%, а плоскость листа сжимается на 3%.
Искусственные мышцы и гигантские удары листами аэрогеля MWNT
[ редактировать ]Высокоупорядоченные отдельно стоящие листы аэрогеля из МУНТ можно получить, просто вытянув лист из боковых стенок лесов МСНТ, выращенных методом CVD. Исследователи из UT в Далласе придумали традиционный метод, при котором они прикрепляют клейкую ленту к боковым стенкам лесов MWNT и тянут ленту с постоянной скоростью со скоростью 7 метров в минуту (0,26 мили в час), чтобы получить листы аэрогеля шириной 3–5 см. ориентированные МУНТ, которые обладают исключительными механическими и оптическими свойствами. [ 10 ] Листы аэрогеля имеют плотность ≈1,5 мг/см. 3 , поверхностная плотность 1-3 мкг/см 2 , и толщиной ≈20 мкм. Толщина уменьшается до ≈50 нм за счет жидкостного уплотнения для уменьшения объема. Листы аэрогеля можно растягивать по ширине до трех раз, сохраняя при этом свойства низкомодульной резины.
Имея листы аэрогеля из МУНТ, исследователи UT изготовили приводы с гигантскими ходами (≈180% срабатывания по ширине) со временем задержки 5 мс между подачей потенциала и наблюдением максимального хода. [ 11 ] Поэтому скорость срабатывания немного лучше, чем у человеческой мышцы. Это очень важное достижение, учитывая, что скорость срабатывания искусственных мышц, используемых в роботах, обычно намного медленнее. Кроме того, использование углеродных нанотрубок в качестве строительных блоков для искусственных мышц также помогает повысить прочность и надежность, делая искусственные мышцы прочнее стали в одном направлении и более гибкими, чем резина в двух других направлениях. [ 12 ] Отсутствие раствора электролита и температурная устойчивость листа аэрогеля в инертной среде делают возможной работу при высоких температурах. Ход срабатывания уменьшается всего на 50 % от значения комнатной температуры до 1344 °C (2451 °F). Таким образом, такая конструкция искусственных мышц может оказаться весьма полезной для многих промышленных применений, поскольку она связана с работой под высоким напряжением при гигантских ударах.
Проблемы и будущие применения
[ редактировать ]В результате было показано, что углеродные нанотрубки являются отличными материалами для применений, связанных с приводом. Подраздел приводов из углеродных нанотрубок оказался весьма успешным и готовым к масштабируемым приложениям, учитывая, что существует довольно много традиционных и масштабируемых методов синтеза крупномасштабных углеродных нанотрубок. Листы углеродных нанотрубок, используемые в качестве электродов в растворах электролитов, позволяют работать при низком напряжении при комнатной температуре с ходами срабатывания и скоростью, сравнимыми с приводами из проводящего полимера, но с более высокой плотностью работы за цикл и сроком службы. Однако ходы срабатывания значительно меньше, чем у электрострикционных резин, работающих при напряжениях на три порядка выше. С другой стороны, реализация аэрогелей из углеродных нанотрубок сделала возможными гигантские удары, сравнимые с электрострикционными резинками при комнатной температуре, но аэрогели из углеродных нанотрубок могут работать в очень широком диапазоне температур и с очень высокими скоростями срабатывания, которые даже лучше, чем скорость срабатывания. человеческих мышц.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ П. Ким, К. М. Либер (1999). «Нанотрубные нанопинцеты». Наука . 286 (5447): 2148–50. дои : 10.1126/science.286.5447.2148 . ПМИД 10591644 .
- ^ Т. Рюкес; и др. (2000). «Энергонезависимая оперативная память на основе углеродных нанотрубок для молекулярных вычислений» . Наука . 289 (5476): 94–7. Бибкод : 2000Sci...289...94R . дои : 10.1126/science.289.5476.94 . ПМИД 10884232 .
- ^ «Учебная библиография» . Архивировано из оригинала 11 ноября 2013 г. Проверено 19 ноября 2018 г.
- ^ Т. Чанг, Цз. Го. (2010). «Температурное обратимое домино в углеродных нанотрубках». Нано-буквы . 10 (9): 3490–3. Бибкод : 2010NanoL..10.3490C . дои : 10.1021/nl101623c . ПМИД 20681525 .
- ^ Р. Х. Боуман; и др. (1999). «Актуаторы из углеродных нанотрубок» . Наука . 284 (5418): 1340–1344. Бибкод : 1999Sci...284.1340B . дои : 10.1126/science.284.5418.1340 . ПМИД 10334985 .
- ^ У. Форер; и др. (2004). «Листы углеродных нанотрубок для использования в качестве искусственных мышц». Карбон . 42 (5–6): 1159. doi : 10.1016/j.carbon.2003.12.044 .
- ^ Перейти обратно: а б ГМ Спинкс; и др. (2002). «Пневматические приводы из углеродных нанотрубок». Адв. Мэтр . 14 (23): 1728. doi : 10.1002/1521-4095(20021203)14:23<1728::AID-ADMA1728>3.0.CO;2-8 .
- ^ М. Канеко, К. Кането (1999). «Электрохеморнемеханическая деформация в полианилине и поли(о-метоксианилине)». Синтез. Встретились . 102 (1–3): 1350. doi : 10.1016/S0379-6779(98)00235-5 .
- ^ Р. Пелрин; и др. (2000). «Высокоскоростные электроприводные эластомеры с деформацией более 100%». Наука . 287 (5454): 836–9. Бибкод : 2000Sci...287..836P . дои : 10.1126/science.287.5454.836 . ПМИД 10657293 .
- ^ М. Чжан; и др. (2005). «Прочные, прозрачные, многофункциональные листы углеродных нанотрубок». Наука . 309 (5738): 1215–9. Бибкод : 2005Sci...309.1215Z . дои : 10.1126/science.1115311 . ПМИД 16109875 . S2CID 36429963 .
- ^ А.Е. Алиев; и др. (2009). «Гигантский удар, сверхэластичные мышцы из аэрогеля из углеродных нанотрубок». Наука . 323 (5921): 1575–1578. Бибкод : 2009Sci...323.1575A . дои : 10.1126/science.1168312 . ПМИД 19299612 . S2CID 32472356 .
- ^ Д. У. Мэдден (2009). «МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Жёстче стали». Наука . 323 (5921): 1571–2. дои : 10.1126/science.1171169 . ПМИД 19299609 . S2CID 22963285 .