Los investigadores crean potentes músculos unipolares de nanotubos de carbono
Desde hace más de 15 años, los investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colaboradores de Estados Unidos, Australia, Corea del Sur y China han fabricado músculos artificiales retorciendo y enrollando hilos de nanotubos de carbono o polímeros. Cuando se alimentan térmicamente, estos músculos actúan contrayendo su longitud cuando se calientan y volviendo a su longitud inicial cuando se enfrían. Sin embargo, estos músculos artificiales accionados térmicamente tienen limitaciones.
En un estudio publicado en línea el 28 de enero en la revista Science, los investigadores de la Universidad de Texas en Dallas y sus colegas describen la creación de potentes músculos electroquímicos unipolares de hilo que se contraen más cuando se impulsan más rápido. Esta imagen de microscopio electrónico de barrido muestra un músculo unipolar enrollado hecho de nanotubos de carbono y recubierto de poli(4-estirenosulfonato de sodio). El diámetro exterior de la bobina es de aproximadamente 140 micras, aproximadamente el doble que el de un cabello humano.
University of Texas at Dallas
Los músculos accionados electroquímicamente con nanotubos de carbono (CNT) ofrecen una alternativa para satisfacer la creciente necesidad de músculos artificiales rápidos, potentes y de gran recorrido para aplicaciones que van desde la robótica y las bombas cardíacas hasta la ropa morfológica.
"Los músculos accionados electroquímicamente son especialmente prometedores, ya que su eficiencia de conversión de energía no está restringida por el límite termodinámico de los músculos térmicos, y pueden mantener grandes carreras contráctiles mientras soportan cargas pesadas sin consumir una cantidad significativa de energía", afirmó el Dr. Ray Baughman, titular de la Cátedra Distinguida Robert A. Welch de Química y director del Instituto NanoTech Alan G. MacDiarmid de la Universidad de Texas en Dallas. "Por el contrario, los músculos humanos y los músculos térmicos necesitan una gran cantidad de energía de entrada para soportar cargas pesadas incluso cuando no realizan trabajo mecánico".
En un estudio publicado en línea el 28 de enero en la revista Science, los investigadores describen la creación de potentes músculos de hilo electroquímico unipolar que se contraen más cuando se impulsan más rápido, resolviendo así importantes problemas que han limitado las aplicaciones de estos músculos.
Los músculos de hilo de CNT alimentados electroquímicamente se accionan aplicando un voltaje entre el músculo y un contraelectrodo, que impulsa los iones de un electrolito circundante hacia el músculo.
Pero los músculos electroquímicos de CNT tienen limitaciones. En primer lugar, el accionamiento del músculo es bipolar, lo que significa que el movimiento del músculo, ya sea de expansión o de contracción, cambia de dirección durante un barrido de potencial. El potencial al que el movimiento cambia de dirección es el potencial de carga cero, y la velocidad a la que el potencial cambia con el tiempo es la velocidad de exploración de potencial.
Otra cuestión: Un electrolito determinado sólo es estable en un rango concreto de tensiones. Fuera de este rango, el electrolito se descompone.
"Los músculos de hilo anteriores no pueden utilizar todo el rango de estabilidad del electrolito", afirma Baughman, autor correspondiente del estudio. "Además, la capacitancia del músculo -su capacidad para almacenar la carga necesaria para el accionamiento- disminuye con el aumento de la tasa de exploración de potencial, lo que hace que la carrera del músculo disminuya drásticamente con el aumento de la tasa de accionamiento".
Para resolver estos problemas, los investigadores descubrieron que las superficies interiores de los hilos de nanotubos de carbono enrollados podían recubrirse con un polímero conductor iónico adecuado que contiene grupos químicos con carga positiva o negativa.
"Este recubrimiento de polímero convierte la actuación bipolar normal de los hilos de nanotubos de carbono en una actuación unipolar, en la que el músculo actúa en una dirección en todo el rango de estabilidad del electrolito", dijo Baughman. "Este comportamiento tan buscado tiene consecuencias sorprendentes que hacen que los músculos electroquímicos de nanotubos de carbono sean mucho más rápidos y potentes".
El estudiante de doctorado en química Zhong Wang, coprimer autor del estudio, explicó la ciencia subyacente: "El campo dipolar del polímero desplaza el potencial de carga cero -que es donde la carga electrónica de los nanotubos cambia de signo- hasta fuera del rango de estabilidad del electrolito. Por lo tanto, se inyectan electroquímicamente iones de un solo signo para compensar esta carga electrónica, y el recorrido del músculo cambia en una dirección en todo este rango de exploración de potencial utilizable".
El Dr. Jiuke Mu, profesor de investigación asociado en el Instituto NanoTech de la UT Dallas y coprimer autor, dijo que el recubrimiento de polímero ayuda a resolver el problema de la capacitancia de los músculos de hilo electroquímico.
"El número de moléculas de disolvente bombeadas al músculo por cada ion aumenta con el incremento de la tasa de barrido de potencial para algunos músculos unipolares, lo que aumenta el tamaño efectivo del ion que impulsa la actuación", dijo Mu. "Así, la carrera del músculo puede aumentar en un factor de 3,8 con el aumento de la tasa de exploración potencial, mientras que la carrera de los músculos de hilo de nanotubos de carbono sin el recubrimiento de polímero disminuye en un factor de 4,2 para los mismos cambios en la tasa de exploración potencial".
Los avances proporcionan músculos unipolares electroquímicos que se contraen para generar una potencia mecánica de salida media máxima por peso muscular de 2,9 vatios/gramo, lo que supone unas 10 veces la capacidad típica del músculo humano y unas 2,2 veces la capacidad de potencia normalizada por peso de un motor diésel V-8 turboalimentado.
El recubrimiento de polímero utilizado para producir estos resultados fue el poli(4-estirenosulfonato de sodio), que está aprobado para su uso en medicamentos y es lo suficientemente barato para su uso en el ablandamiento del agua. La incorporación de este polímero invitado permitió el funcionamiento práctico de un músculo de nanotubos de carbono desde altas temperaturas hasta menos de 30 grados Celsius.
Wang dijo que el equipo también descubrió que se podía obtener un comportamiento unipolar, sin golpes de barrido mejorados, cuando se incorporaban nanoplaquetas de óxido de grafeno dentro del músculo de hilo utilizando un proceso de biscrolling que los investigadores de la UT Dallas crearon y patentaron.
"El uso de este huésped para proporcionar los campos dipolares necesarios para el comportamiento unipolar aumentó la potencia mecánica contráctil media máxima del músculo hasta unos notables 8,2 vatios/gramo, lo que supone 29 veces la capacidad máxima del músculo humano del mismo peso y unas 6,2 veces la de un motor diésel V-8 turboalimentado", dijo Wang.
"También descubrimos que se pueden combinar dos tipos diferentes de músculos de hilo unipolar, cada uno de ellos con carreras de barrido mejoradas, para hacer un músculo de hilo de doble electrodo y de estado sólido, eliminando así la necesidad de un baño de electrolito líquido", dijo Wang. "Se utiliza un electrolito de estado sólido para interconectar lateralmente dos hilos de nanotubos de carbono enrollados que contienen diferentes huéspedes poliméricos, uno con sustituyentes de carga negativa y el otro con sustituyentes de carga positiva. Ambos hilos se contraen durante la carga para contribuir de forma aditiva al accionamiento, debido a la inyección de iones positivos y negativos, respectivamente. Estos músculos unipolares de doble electrodo se tejieron para fabricar tejidos actuadores que podrían utilizarse para la confección de ropa morfológica".
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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