Je leest:

Nanobuizen blijken sterke gewichtheffers

Nanobuizen blijken sterke gewichtheffers

Auteur: | 26 november 2012

Gewikkelde koolstofnanobuisjes gevuld met was blijken door middel van temperatuurstijgingen zware arbeid te kunnen verrichten. Door het razendsnel op- of ontwikkelen kunnen de vezels grote draai- of trekkrachten uitoefenen. Handig voor minuscule motoren en sensoren.

Het idee om koolstofnanobuisjes in te zetten als kleine werkpaarden is niet geheel nieuw. Al jaren proberen wetenschappers de extreem dunne (enkele tientallen nanometers dik) maar relatief supersterke vezels in te zetten als kunstmatige spieren.

Er werden al voorzichtige successen geboekt. Maar die verbleken bij de prestaties van de nanobuisjes die een groot team van internationale wetenschappers recentelijk wist te fabriceren. Het lukte ze snelle motors te maken die veel kracht leveren en duurzaam zijn. De resultaten van hun onderzoek werden deze maand in het wetenschappelijke tijdschrift Science gepubliceerd.

Mooie toepassingen liggen volgens de wetenschappers in het verschiet. Wat dacht je van een warme trui die vanzelf (frisse) lucht doorlaat op het moment dat het iets te warm wordt? Of een beschermend pak dat blijft ‘ademen’ tot het moment dat het daadwerkelijk met giftige stoffen in aanraking komt? Ook het automatisch sluiten van een luxaflex bij zonnig weer denken ze met de door hun ontwikkelde kunstspier relatief eenvoudig en zonder energietoevoer te kunnen realiseren. De wetenschappers zinspelen op dit soort futuristische klinkende toepassingen, hoewel ze verder geen uitspraken doen over hoe dat te realiseren zou zijn.

Trekken en draaien

De wetenschappers uit onder andere de Verenigde Staten, China, Australië en Brazilië vulden de koolstofnanobuisjes met paraffine, een was-achtige substantie. Onder invloed van warmte kan de paraffine uitzetten en daarbij van binnenuit een kracht uitoefenen op de nanobuisjes.

Door de volumetoename van de paraffine wordt de nanobuis namelijk in een iets dikkere en kortere vorm geduwd. Het is dit principe dat wordt uitgebuit om een kracht uit te oefenen tussen twee objecten waartussen de vezel is gespannen.

Wetenschappers hebben dit al enige tijd in de smiezen, maar de prestaties van het systeem zijn nu sterk verbeterd door de nanobuisjes op te wikkelen. Waar buisjes in eerste instantie een samentrekking van slechts 0,1 procent lieten zien, was de gedraaide variant in staat tot een krimp van 7,3 procent. Dat maakte de toepassing van dit soort systemen een heel stuk aantrekkelijker.

De opgewikkelde koolstofnanobuisjes gezien door een elektronenmicroscoop.
University of Texas at Dallas

Gedraaide vezels hebben ook nog een ander voordeel. Naast trekkracht kunnen ze ook een draaikracht leveren. Het uitzetten van de paraffine kan een gewrongen nanobuis als het ware ‘ontwikkelen’ en haar zo laten ronddraaien, tot wel meer dan 10.000 toeren per minuut. Afhankelijk van de configuratie van de nanobuizen – aan een of aan twee kanten vastgemaakt, helemaal of half gevuld met paraffine – wisten de wetenschappers verschillende soorten actuatoren te fabriceren.

De directe aandrijving van de nanobuisjes is paraffine dat tussen de 30 en 90 graden Celsius ongeveer 20 procent in volume toeneemt. En bij een verdere temperatuurstijging blijft het uitzetten, zij het in een iets mindere mate. De warmte die voor dit proces nodig is kan direct uit de omgeving afkomstig zijn (waardoor de vezel dus automatisch kan reageren op temperatuur) of worden opgewerkt door elektriciteit door de halfgeleidende nanobuizen te laten lopen. Een variant van de gevulde koolstofnanovezel wordt niet aangedreven door uitzetting van was, maar door de absorptie van waterstof.

Krachtpatser op nanoschaal

De prestaties van de nanobuizen zijn indrukwekkend. Een variant wist 175.000 keer zijn eigen gewicht op te tillen in 30 milliseconden. De wetenschappers rekenden uit dat ze daarmee 30 keer krachtiger waren dan vergelijkbare kunstmatige spiersystemen en wel 85 keer krachtiger als natuurlijke spieren. Overigens sleet het systeem bij deze belasting relatief snel. De temperatuur liep soms op tot 2500 graden Celsius, met (gedeeltelijke) verdamping van de paraffine tot gevolg.

De draaiende variant presteerde ook behoorlijk. Er werden draaisnelheden tot 11,500 toeren per minuut gehaald. Om vervolgens ook de kracht van hun systeem te demonstreren maakten de wetenschappers een katapult die, aangedreven door de nanobuizen, objecten wist te lanceren.

De katapult in actie.

Snelle commerciële toepassing

Een sterk punt van de nanobuizen is dat ze bij een normale belasting nauwelijks slijtage vertonen. Verschillende vezels konden meer dan een miljoen bewegingen maken zonder dat hun prestaties daar onder leden.

Ook is men tevreden met het relatieve eenvoudige concept van de kunstmatige spieren. Waar voorgangers nog gebruik maakten van geleidende vloeistoffen, zogenoemde elektrolyten, werken deze krachtvezels zonder. Dat betekent dat de nanobuisjes niet ondergedompeld hoeven te zijn, wat weer een hoop complicerende ‘verpakking’ scheelt. Daarnaast betekent de afwezigheid van vloeistoffen, dat een veel hogere werktemperatuur mogelijk is.

Dit korte filmpje laat de werking van de spier zien. Een dunne spier (de draad links) is in staat een lange aluminium staaf snel heen en weer te bewegen.

Eigenlijk is het enige waar de wetenschappers nog over inzitten de energie-efficiëntie van de nanobuisjes. Met pakweg een half procent bij de elektrisch aangedreven nanobuizen, is die nog niet zo groot. Overigens is dat wel vergelijkbaar met andere micro-aandrijfsystemen zoals geheugenmetaal.

Alle voordelen op een rijtje gezet, denken de wetenschappers dat de door hun gecreëerde nano-werkpaarden hun weg snel zouden moeten kunnen vinden naar commerciële toepassingen.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 26 november 2012

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.