新型碳纳米管纱扭曲能力提高千倍

2011-10-20 09:35 来源: 中国科学院
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  由美国得克萨斯大学、澳大利亚卧龙岗大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学和韩国汉阳大学的研究人员组成的国际研究小组宣布,他们用碳纳米管制造出新型螺旋纱纤维,其扭曲能力比过去已知的材料高1000倍,可利用其制造出比头发丝还细小的微电机。该研究成果发表在近期出版的《科学》杂志上。

  碳纳米管与金刚石、石墨烯、富勒烯一样,是碳的一种同素异形体。它具有典型的层状中空结构特征,管身由六边形碳环微结构单元组成。在此项研究中,研究人员首先生产出高400微米、宽12纳米的碳纳米管细微结构“森林”,然后将其纺成类似绳索结构的螺旋纱。在纺纱时,可将碳纳米管纱制成左手螺旋和右手螺旋两种类型。

  由于碳纳米管纱具有良好的导电性,研究人员将制成的碳纳米管纱与电极相连,并将其沉浸在离子导电液体中。碳纳米管纱开始进行扭转旋转。它首先向一个方向旋转,当达到一定的限度,改变电压后,再向反方向旋转。左手螺旋纱和右手螺旋纱的旋转方向正好相反。

  研究人员表示,碳纳米管纱的扭转旋转机制就像超级电容器充电,离子迁移到纱线,充电电荷注入到碳纳米管,形成静电平衡。由于碳纳米管纱为多孔结构,离子涌入将导致纱线膨胀,长度可缩短一个百分点。

  研究人员在碳纳米管纱上附着了一个桨叶,结果表明,新型碳纳米管纱以590转/分钟的速度进行旋转时,可以旋转比自身重2000倍的桨叶。每毫米碳纳米管纱在250转/分钟时,其扭曲能力超过铁电体人工肌肉、形状记忆合金人工肌肉及有机聚合物人工肌肉1000倍。输出功率可媲美大型电机。

  研究人员已设计了一个简单的设备,用于在微流体芯片上混合两种液体。由一个15微米碳纳米管纱构成的流体混合器,可旋转比自身宽200倍、比自身重80倍的桨叶。

  传统电机的结构非常复杂,微型化十分困难。但利用这种碳纳米管纱却能很容易在毫米级水平构建电机。英国莱斯大学化学和计算机科学系的詹姆斯教授认为该工作非常了不起。他表示,具有如此大扭矩的纤维十分迷人,如果将其应用在机械工程中,将起到其他任何材料无法替代的效果。

  研究人员表示,这种碳纳米管纱可以开辟许多新用途。它可以用于制造微型电机、微型压缩机和微型涡轮机;基于旋转执行器的微型泵可以集成到芯片实验室技术制造的设备上;还可以将其应用于机器人、假肢及各种传感器上。