“Искусственные мышцы”: новые разработки
Всем известный пластик обладает необычным свойством: он может производить электричество при растягивании или сжатии. Эта способность до сих пор используется лишь в узких отраслях, однако теперь исследователи заставили волокна этого материала вырабатывать еще больше электроэнергии, что позволяет расширить область его применения: “зеленая энергетика”, “искусственные мышцы” и др.
Вальтер Войт, доктор философии из университета Далласа (UT Dallas), штат Техас, и его коллеги уже не первый год работают с поливинилиденфторидом (PVDF), и за это время достаточно хорошо его изучили. Ученые утверждают, что подобрав условия, можно сделать из него пьезоэлектрик, что означает, что при растягивании материал будет генерировать электрический ток, или, наоборот, при подведении электричества к поверхности материала – менять форму. PVDF и другие материалы с аналогичными свойствами уже нашли применение в современной технологии, например, в качестве датчиков давления в тачпадах и датчиков наклона в электронике, но если его пьезоэлектрические свойства значительно улучшатся, потенциал этого полимера вырастет в разы.
При сотрудничестве с Шэшанк Прия, доктором философии политехнического института и государственного университета Вирджинии, Войт уже сделал новый шаг к этой цели: в рамках программы Центра энергонакапливающих материалов и систем Национального научного фонда (NSF), направленной на развитие технологий накапливания и контроля передвижения энергии, ученые предприняли попытку разработать «мягкие» энергонакапливающие материалы на основе полимера. Кэри Бор, докторант лаборатории Войта, нашел способ включить фуллерены и одностенные углеродных нанотрубки в PVDF волокна (изображены на рисунке), что позволило удвоить пьезоэлектрические свойства. Данные добавки: фуллерены – крошечные сферы из атомов углерода, а также нанотрубки – были выбраны, поскольку они обладают интересными свойствами, и уже достаточно хорошо изучены учеными в различных направлениях. Углеродные наноструктуры выравнивают и повышают общую силу электрического поля. Таким образом, по словам Войта, PVDF-углеродные гибриды являются лучшими пьезоэлектрическими композитами из описанных в настоящее время в научной литературе.
По словам Войта, чтобы включить эти нитеподобные структуры в класс “искусственных мышц” – общее название для материалов, способных сжиматься или разжиматься под действием электрического тока или температуры – нужно сделать их более мощными. Одним из способов добиться этого стала разработка Рея Бомана, доктора философии университета Далласа, который взял пучок нейлоновых волокон толщиной в десять человеческих волос и скрутил их в длинную плотную спираль наподобие старого телефонного шнура, только в миниатюрных масштабах. Такая структура может сжиматься почти на 50 процентов при нагревании и поднимать около 16 фунтов (более 7 кг). Эффект похож на скручивание ленты: если растягивать ее, когда она скручена в виде спирали, то спираль выдерживает гораздо большие нагрузки в отличие от прямой.
Войт надеется создать подобный эффект для его PVDF-углеродных волокон, которые гораздо лучшие пьезоэлектрические материалы, чем нейлон, и будут иметь лучший отклик на электрический ток. В конечном счете данные разработки могут быть использованы для создания синтетических мышц, которые могли бы сделать протезы более подвижными.
Еще одна потенциальная область применения материалов – накопление энергии. Компания Боинг, которая финансировала некоторые исследования ученых, заинтересована в использовании энергии, которую можно вырабатывать при помощи пассажиров самолета, когда они сидят, встают или устраиваются поудобней на своих местах, с помощью которой можно обеспечить, например, освещение в салоне. Это позволит авиаконструкторам убрать ненужные кабели, которые могут значительно уменьшить вес самолетов, а следовательно и экономить топливо.