Изкуствени мускули от нанотръбни аерогелове

Прието е изкуствените мускули да се наричат материали, които могат да преобразуват различни видове енергия - електрическа, химическа, топлинна и др. - в механична енергия и да извършват полезна за нас работа. В допълнение, такива материали трябва да бъдат издръжливи и способни да развиват значителна сила.

Американски изследователи са направили изкуствени мускули от ленти от нанотръбни аерогелове, които се образуват, когато се разтегне гора от въглеродни нанотръби. Получава се материал от надлъжно ориентирани снопове нанотръби, който се състои основно от въздух и има плътност около 1,5 mg/cm 3 (1,3 mg/cm 3 за въздух при n.a.). Благодарение на анизотропната структура, лентите имат висока твърдост само в надлъжна посока и са доста меки в напречна посока.

Работата на мускулите се основава на феномена на кулоновото отблъскване на тръбите, когато към лентата на аерогела се прилага високо напрежение спрямо заземения електрод. При такива условия честотната лента се разширява до 220% при скорост от 37 000% в секунда. В този случай лентата също намалява с няколко процента в надлъжна посока, което води до възникване на значително механично напрежение, 30 пъти по-голямо от това на животинските мускули. В допълнение, материалът може да работи при температури от 80 до 1900 K.

Аерогелните ленти имат още едно интересно свойство. Те имат високи стойности на коефициента на Поасон, който е равен на съотношението на стойностите на относителното напречно напрежение на тялото към относителното надлъжно напрежение. Докато за обикновените материали този коефициент варира от 0 (крехки тела) до 0,5 (еластични тела), за аерогел достига 15, а при удължаване на лентата с1%, обемът му е намален с 24% поради значително намаляване на ширината и дебелината. Това рядко свойство означава също, че в случай на равномерно (хидростатично) компресиране на проба от аерогел във всички посоки, дължината му няма да намалее (както например в стоманата), а напротив, ще се увеличи.

Нанотръбните мускули са обещаващи за създаване на MEMS/NEMS и поради огромното съотношение на Поасон, аерогелът може да се използва като усилвател на напрежението. В допълнение, плътността на ивиците може лесно да се променя с килохерцови честоти чрез прилагане на електрическо поле, което е интересно за оптични приложения.