نداء فليكس: الباحثون ينشئون عضلات أنابيب الكربون النانوية
نداء فليكس: الباحثون ينشئون عضلات أنابيب الكربون النانوية
فيديو: نداء فليكس: الباحثون ينشئون عضلات أنابيب الكربون النانوية
فيديو: تصنيع أنابيب الكربون النانوية - carbon nanotubes من أقوي المواد علي وجه الأرض 2023, شهر فبراير
Anonim

يختبر الباحثون مادة صلبة صلبة جديدة تتوسع أو تنكمش عند تطبيق شحنة كهربائية وتكون قادرة على تحمل الحرارة الشديدة والبرودة المتجمدة.

عكف الباحثون منذ عقود على تطوير البوليمرات والمواد الأخرى التي يأملون في استخدامها يومًا ما لإنشاء عضلات اصطناعية تحاكي ، عند إعطائها شحنة كهربائية ، الشيء الحقيقي بتكلفة أقل وفعالية أكبر من الأنظمة الهيدروليكية والمحركات الكهربائية المستخدمة اليوم. أفادت مجموعة من العلماء في جامعة تكساس في معهد آلان ماكديارميد لتقنية النانو في دالاس في مجلة Science اليوم أنهم أظهروا نوعًا جديدًا من العضلات الاصطناعية ، تتكون بشكل حصري تقريبًا من الأنابيب النانوية الكربونية ، والتي يمكن أن تعمل في درجات حرارة منخفضة للغاية من شأنها أن يتسبب في تجمد أنظمة العضلات الاصطناعية الأخرى وفي درجات حرارة عالية جدًا تؤدي إلى تحلل أنظمة العضلات الأخرى.

يقول المؤلف المشارك في الدراسة ومدير المعهد راي بوغمان ، أستاذ الكيمياء ، إن مثل هذه العضلات الاصطناعية خفيفة الوزن ومنخفضة الكثافة قادرة على تحمل درجات الحرارة بين النيتروجين السائل (-321 درجة فهرنهايت ، أو -196 درجة مئوية) ونقطة انصهار الحديد (يمكن استخدام 2 ، 800 درجة فهرنهايت ، أو 1 ، 538 درجة مئوية) لتحريك المفاصل والأذرع والمكونات الأخرى للهياكل الخاصة بالفضاء والفضاء واستكشاف الكواكب ، حيث تحظر البيئة المعادية استخدام أي نوع آخر من مواد التشغيل.

على الرغم من أن العضلات الاصطناعية تعمل بشكل عام على نفس أساس عضلات الحيوانات ، إلا أنه من غير المحتمل أن يتم استخدام العضلات الاصطناعية للأنابيب النانوية الكربونية في الأطراف الصناعية أو لتحل محل الأنسجة. يقول بوغمان: "إن الفولتية العالية المستخدمة في التشغيل تلغي إمكانية استبدال الأنسجة" ، مضيفًا أن الأطراف الاصطناعية لا تحتاج إلى معدل الاستجابة السريع أو القدرة على تحمل درجات الحرارة القصوى التي تمتلكها المادة الجديدة. ويضيف أن أنواعًا أخرى من العضلات الاصطناعية ، لا سيما تلك التي تحول الطاقة الكيميائية للوقود إلى طاقة ميكانيكية ، هي أكثر ملاءمة للأطراف الاصطناعية.

العضلة الاصطناعية الجديدة هي في الواقع صفيحة "إيروجيل" شفافة (تسمى هكذا لأن معظم الحجم في الصفيحة إما هواء أو فراغ). يتكون الهلام الهوائي من أنابيب نانوية كربونية محاذاة تمر عبر المادة: تتجاوز "القوة المحددة" للصفائح (القوة مقسومة على الكثافة) تلك الموجودة في أقوى لوحة فولاذية عند محاولة شدها في نفس الاتجاه الذي يتم فيه محاذاة الأنابيب النانوية ، يقول بوغمان. ومع ذلك ، فإن المادة تتمدد بسهولة أكبر عند سحبها في اتجاه جانبي. ويضيف: "تتمتع هذه المادة بهذه الخصائص سواء تم شحنها أم لا".

"الهدف الرئيسي لمجموعة راي هو النظر إلى مواد مختلفة ، ومعرفة ما إذا كان بإمكانهم إخراج الحركة والقوة منها ، ثم معرفة إلى أي مدى يمكنهم دفعها" ، كما يقول جون مادن ، الأستاذ المساعد في الهندسة الكهربائية وهندسة الكمبيوتر في جامعة كولومبيا البريطانية في فانكوفر.

ورقة الهوائي ، التي يبلغ سمكها حوالي 20 ميكرون (واحد ميكرون يساوي حوالي 40 جزء من المليون من البوصة) عند إنتاجها في البداية ، وسمكها حوالي 50 نانومتر (النانومتر الواحد يساوي 40 جزء من المليار من البوصة) عندما تكون أكثر كثافة ، يمكن أن تتوسع حتى ثلاثة أضعاف حجمها الأصلي الحجم عند تطبيق الجهد الموجب (أي شيء أكثر من شأنه أن يتلف المادة) ، ويتقلص إلى حجمه الأصلي عند إيقاف تشغيل العصير. يأتي هذا التمدد من القوى الطاردة التي تولدها الأنابيب النانوية الكربونية (تدفعها بعيدًا عن بعضها البعض) عندما يتم تطبيق الكهرباء على المادة. يقول مادن ، الذي كتب عن البحث في مقال علمي مرفق بالدراسة ، إن الفريق "ابتكر مادة لم يبتكرها أي شخص آخر". "إنه ليس خفيفًا فحسب ، بل إنه قوي جدًا في اتجاه واحد ، ولكن في الاتجاه الآخر تقريبًا ليس لديه صلابة. لم أر أبدًا أي شيء بهذا القدر من الاختلاف بين الاتجاهات."

نظرًا لأن الأنابيب النانوية تحيد الضوء بشكل عمودي على اتجاه المحاذاة ، يمكن استخدام القدرة على تغيير كثافة صفائح الهلام ثم تجميدها في هذا الشكل لتحسين "أقطاب الأنابيب النانوية المستخدمة في شاشات العرض العضوية الباعثة للضوء ، والخلايا الشمسية ، وتجريد الشحنة من الأيونات الحزم ، وانبعاث مجال الإلكترون البارد "، وفقًا لتقرير العلوم.

على المدى الطويل ، يمكن أن تكون صفات مقاومة درجات الحرارة للعضلات الاصطناعية مفيدة عند استكشاف الكواكب الأخرى. يقول بوغمان: "قد تحتاج إلى هذا إذا كنت ترغب في تغيير اتجاه الخلايا الشمسية المستخدمة لتشغيل مركبة فضائية أثناء سفرها عبر درجات حرارة منخفضة في الفضاء". بالإضافة إلى ذلك ، فإن القمر الصناعي أو العربة الجوالة الاستكشافية أو المركبة الفضائية التي تستخدم عضلات صناعية مصنوعة من الهلام الهوائي بدلاً من النظام الهيدروليكي أو المحرك المصنوع من الفولاذ سيكون أخف بكثير ويتطلب طاقة أقل للانطلاق في الفضاء. يقول: "بالنسبة للتطبيقات التي تريد تقليل الوزن فيها ، فهذا هو المكان الذي يعمل فيه الهوائي بشكل جيد."

ومع ذلك ، فإن كثافة المادة المنخفضة ستكون أقل فائدة للمباني على الأرض ، لأن الأمر سيستغرق الكثير من الهوائي للقيام بعمل شعاع فولاذي في المبنى ، على سبيل المثال. يقول مادن: "الشعاع [المصنوع من الهوائي] قد يكون أخف ، لكن يجب أن يكون أكبر بكثير."

يعتبر Baughman's أحدث مثال على العضلات الاصطناعية. عدة أنواع أخرى كانت في الأعمال لسنوات. اختبرت SRI International و Hyper Drive Corp اليابانية في ديسمبر مولدًا مشتركًا مُركبًا على العوامة يعمل بالطاقة بموجات المحيط قبالة سواحل سانتا كروز ، كاليفورنيا ، والذي يستخدم جهازًا يشبه الأكورديون في الداخل ، مصنوع من عضلة بوليمر صناعية ذات نشاط كهربائي (EPAM) ، لإنتاج طاقة ميكانيكية تم تحويلها إلى كهرباء. وفي عام 2005 ، تفوقت طالبة المدرسة الثانوية بانا فيلسن (17 عامًا في ذلك الوقت) على ثلاثة أذرع آلية ذات عضلات اصطناعية مختلفة في مسابقة مصارعة الذراع. بذلت ذراع روبوتية تصنعها شركة Environmental Robots، Inc. (ERI) في نيو مكسيكو أفضل جهد ، حيث نجت من 26 ثانية ، في حين فقدت أذرع من معهد Virginia Polytechnic ومختبرات المعهد الفيدرالي السويسري للتكنولوجيا لاختبار المواد وأبحاثها في أقل من أربع ثوان لكل منهما.

شعبية حسب الموضوع