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Muscles ultra-forts à nanotubes de carbone
En filant des nanotubes de carbone en fil d'une fraction de la largeur d'un cheveu humain, les chercheurs ont développé des muscles artificiels qui exercent 100 fois la force, par zone, du muscle naturel. C'est selon Ray Baughman , directeur de la Institut de nanotechnologie de l'Université du Texas à Dallas , qui a présenté la recherche à Boston la semaine dernière lors de la conférence de la Materials Research Society.
Les fils de nanotubes de carbone tels que celui-ci peuvent être utilisés comme actionneurs puissants.
Les muscles artificiels - des actionneurs basés sur des matériaux tels que certains types de métaux et de polymères qui rétrécissent, grandissent ou changent de forme - sont utiles pour les membres prothétiques, les machines à micro-échelle et les robots. Notre plus gros problème en ce moment [dans le développement de muscles artificiels] est [que] le niveau de force généré n'est pas élevé, déclare Yoseph Bar-Cohen, chercheur principal au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, à Pasadena, en Californie. Les nanotubes de carbone peuvent potentiellement créer une force énorme.
Baughman a déjà développé des actionneurs à nanotubes de carbone qui convertissent l'énergie de l'hydrogène en force mécanique. Il utilise une configuration similaire à une pile à combustible dans laquelle des électrodes de nanotubes de carbone recouvertes de catalyseur agissent également comme des actionneurs, changeant de taille en réponse à la charge électrique. Malheureusement, les feuilles de nanotubes de carbone utilisées dans ces expériences ne font pas bon usage de la force des nanotubes de carbone. En effet, trouver un matériau de nanotube de carbone qui utilise la force extraordinaire des molécules de nanotube individuelles a été un défi de recherche.
Dans le dernier travail de Baughman, réalisé en collaboration avec John Madden de l'Université de la Colombie-Britannique, les chercheurs ont fabriqué des actionneurs à partir de fils de nanotubes de carbone. Les fils sont créés en faisant d'abord croître des nanotubes densément emballés, chacun d'environ 100 micromètres de long. Les nanotubes de carbone sont ensuite rassemblés à partir d'une partie de ce champ et filés ensemble en de longs fils minces. Le fil de nanotube peut mesurer à peine 2 % de la largeur d'un cheveu – même pas visible – mais mesurer plus d'un mètre de long. Selon Baughman, filer ces fils était comme tirer un poisson avec une ligne invisible. Dans sa présentation à la conférence, il a décrit des fils pouvant supporter des charges 150 fois supérieures à celles des papiers nanotubes.
Cependant, beaucoup de travail reste à faire pour développer les matériaux. D'une part, lorsque des charges plus importantes sont appliquées aux actionneurs, ils peuvent commencer à présenter un fluage, c'est-à-dire qu'ils ne reviennent pas complètement à leur état d'origine avec des cycles successifs. Baughman dit qu'avant que ces actionneurs puissent être utiles, le fluage doit être éliminé. Sous charge, le cycle n'est pas réversible - vous avez un peu de fluage. Dans la plupart des applications d'actionneurs, vous ne voulez pas de fluage.
Un autre problème clé est la mise à l'échelle à partir de threads individuels minces. Bien que les muscles des nanotubes de carbone puissent surpasser les muscles naturels sur une base par zone, exerçant 100 fois la force, les muscles naturels sont beaucoup plus gros, ce qui les rend plus forts. Ce problème de mise à l'échelle a été un défi pour les muscles artificiels en général, c'est pourquoi ils ne peuvent toujours pas battre les muscles humains dans des fonctions telles que le bras de fer, explique Bar-Cohen.
Malgré les défis, les travaux de Baughman jusqu'à présent représentent des avancées importantes pour les muscles artificiels à base de nanotubes de carbone. [Baughman] les a vraiment poussés très loin en termes de traitement, dit Elizabeth Smela , professeur de génie mécanique à l'Université du Maryland. Le fait qu'il puisse former des feuilles conductrices transparentes, des fils et d'autres matériaux à partir de ces nanotubes de carbone est attrayant. Le traitement est très important. Vous pouvez avoir un matériau prometteur, mais si vous ne savez pas comment le traiter pour en faire des choses, cela ne vous fait pas grand-chose.