Muscles nanotubes résistants à la chaleur et légers comme l'air

Les rubans de nanotubes de carbone développés par des chercheurs de l'Université du Texas à Dallas sont plus solides que l'acier, aussi extensibles que le caoutchouc et aussi légers que l'air. Les rubans, qui sont constitués de longs nanotubes enchevêtrés de 11 nanomètres d'épaisseur, peuvent s'étirer jusqu'à plus de trois fois leur largeur normale, mais sont plus rigides et plus résistants que l'acier ou le Mylar dans le sens de la longueur. Ils peuvent se dilater et se contracter des milliers de fois et résister à des températures allant de -190 à plus de 1 600 °C. De plus, ils sont presque aussi légers que l'air et sont transparents, conducteurs et flexibles.

Tubes de montgolfière : Cette illustration montre l'intérieur d'une bande de deux millimètres de large d'un matériau de nanotube de carbone aéré qui s'étend à plus de trois fois sa largeur lorsqu'une tension de cinq kilovolts lui est appliquée.

Le matériel, présenté dans la revue La science cette semaine, a été développé par Ray Baughman , directeur de la Institut de nanotechnologie à l'UT Dallas, qui développe divers types de muscles artificiels à base de nanotubes de carbone pour les prothèses et la robotique. Ces matériaux changent de forme et de taille en réponse à des signaux électriques ou chimiques ; certains se dilatent jusqu'à 1% et exercent 100 fois plus de force que le muscle humain naturel sur la même zone.

Les nouveaux actionneurs, en revanche, se dilatent jusqu'à 200 % mais génèrent de faibles forces par unité de surface, ce qui les rend moins qu'idéal pour de nombreuses applications, y compris la robotique. Cependant, leurs nouvelles propriétés, en particulier leur plage de températures, pourraient ouvrir de nouvelles applications passionnantes. Aucune autre technologie d'actionneur ne peut fournir un actionnement à ces températures extrêmes, dit Baughman. Et ces taux d'actionnement sont géants.

Qibing Pei , professeur de science des matériaux et d'ingénierie à l'Université de Californie à Los Angeles, pense que le matériau pourrait être un bon candidat pour les ailes d'avion à changement de forme. Pei a développé des actionneurs en polymère qui se dilatent jusqu'à 400 % et fonctionnent entre -40 et 200 °C.

Étant donné que les rubans de nanotubes sont ultralégers et peuvent supporter des températures extrêmes, ils pourraient peut-être également être utiles pour fabriquer des pièces d'engins spatiaux à changement de forme, explique Joseph Bar Cohen , chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, à Pasadena, en Californie. C'est excitant que le matériau se comporte de cette façon sur une large plage de températures, dit-il. D'un côté nous avons Mars et de l'autre Vénus. Leurs températures se situent dans la plage de performances de ce matériau.

Mais pour l'instant, Baughman et ses collègues se concentrent sur les applications optiques du matériau. Étant donné que les nanotubes de carbone sont hautement conducteurs, les feuilles flexibles pourraient peut-être être utilisées pour fabriquer des électrodes pour cellules solaires et des diodes électroluminescentes organiques avec une transparence et une conductivité contrôlables. Pour cette application, vous souhaitez régler la densité de nanotubes de carbone par unité de surface, explique Baughman. Cela détermine le degré de transparence de la feuille. Dans le La science papier, les chercheurs montrent que les rubans peuvent être déposés sur un substrat de silicium dans leur état expansé et plus transparent. Les rubans diffractent également la lumière de sorte qu'ils pourraient peut-être s'avérer utiles dans les communications optiques. Changer leurs dimensions envoie différentes longueurs d'onde de lumière dans différentes directions.

Les chercheurs fabriquent le matériau en faisant croître des nanotubes de carbone enchevêtrés, puis en tirant des faisceaux de nanotubes entrelacés en rubans. Lorsqu'une tension est appliquée aux bandes, les nanotubes se chargent et s'écartent, faisant se dilater le matériau. Il revient normalement à son état d'origine lorsque la tension est supprimée.

Les rubans auront probablement encore besoin de générer plus de force avant d'être utilisables pour de nombreuses applications. À l'heure actuelle, ils génèrent 32 fois plus de force par unité de surface que les muscles cardiaques, ce qui est beaucoup pour leurs dimensions à l'échelle nanométrique, dit Ian Chasseur , professeur de génie mécanique au MIT. Cependant, les polymères électroactifs génèrent jusqu'à huit fois plus de force par unité de surface que les feuilles de nanotubes. Pour le muscle artificiel, vous avez besoin d'un grand changement de force associé à un grand changement de longueur, dit Hunter.

Les actionneurs en polymère n'ont également besoin que de quelques volts pour se contracter. Les rubans, en revanche, nécessitent trois à cinq kilovolts, ce qui, selon Hunter, est trop élevé pour une utilisation chez l'homme et supérieur à l'idéal pour la robotique. Cependant, il ajoute que les rubans de nanotubes trouveront de nombreuses applications importantes car ils changent de dimensions beaucoup plus rapidement que les actionneurs polymères existants.

La densité ultra-faible des feuilles pourrait être la raison pour laquelle elles ne génèrent pas de forces importantes. John Madden , professeur de génie électrique et informatique à l'Université de la Colombie-Britannique à Vancouver, au Canada, suggère qu'une façon d'augmenter la force qu'elles fournissent pourrait être de rendre les feuilles plus denses et d'augmenter le degré d'imbrication entre les nanotubes.

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