新型碳納米管紗紗扭曲能力提高千倍

 由美國(guó)得克薩斯大學(xué)、澳大利亞臥龍崗大學(xué)、加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)和韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的研究人員組成的國(guó)際研究小組宣布，他們用碳納米管制造出新型螺旋紗纖維，其扭曲能力比過(guò)去已知的材料高1000倍，可利用其制造出比頭發(fā)絲還細(xì)小的微電機(jī)。該研究成果發(fā)表在近期出版的《科學(xué)》雜志上。

　　碳納米管與金剛石、石墨烯、富勒烯一樣，是碳的一種同素異形體。它具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，管身由六邊形碳環(huán)微結(jié)構(gòu)單元組成。在此項(xiàng)研究中，研究人員首先生產(chǎn)出高400微米、寬12納米的碳納米管細(xì)微結(jié)構(gòu)“森林”，然后將其紡成類似繩索結(jié)構(gòu)的螺旋紗。在紡紗時(shí)，可將碳納米管紗制成左手螺旋和右手螺旋兩種類型。

　　由于碳納米管紗具有良好的導(dǎo)電性，研究人員將制成的碳納米管紗與電極相連，并將其沉浸在離子導(dǎo)電液體中。碳納米管紗開始進(jìn)行扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)。它首先向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定的限度，改變電壓后，再向反方向旋轉(zhuǎn)。左手螺旋紗和右手螺旋紗的旋轉(zhuǎn)方向正好相反。

研究人員表示，碳納米管紗的扭轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)機(jī)制就像超級(jí)電容器充電，離子遷移到紗線，充電電荷注入到碳納米管，形成靜電平衡。由于碳納米管紗為多孔結(jié)構(gòu)，離子涌入將導(dǎo)致紗線膨脹，長(zhǎng)度可縮短一個(gè)百分點(diǎn)。

研究人員在碳納米管紗上附著了一個(gè)槳葉，結(jié)果表明，新型碳納米管紗以590轉(zhuǎn)/分鐘的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，可以旋轉(zhuǎn)比自身重2000倍的槳葉。每毫米碳納米管紗在250轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，其扭曲能力超過(guò)鐵電體人工肌肉、形狀記憶合金人工肌肉及有機(jī)聚合物人工肌肉1000倍。輸出功率可媲美大型電機(jī)。

研究人員已設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的設(shè)備，用于在微流體芯片上混合兩種液體。由一個(gè)15微米碳納米管紗構(gòu)成的流體混合器，可旋轉(zhuǎn)比自身寬200倍、比自身重80倍的槳葉。

傳統(tǒng)電機(jī)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，微型化十分困難。但利用這種碳納米管紗卻能很容易在毫米級(jí)水平構(gòu)建電機(jī)。英國(guó)萊斯大學(xué)化學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的詹姆斯教授認(rèn)為該工作非常了不起。他表示，具有如此大扭矩的纖維十分迷人，如果將其應(yīng)用在機(jī)械工程中，將起到其他任何材料無(wú)法替代的效果。

研究人員表示，這種碳納米管紗可以開辟許多新用途。它可以用于制造微型電機(jī)、微型壓縮機(jī)和微型渦輪機(jī)；基于旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器的微型泵可以集成到芯片實(shí)驗(yàn)室技術(shù)制造的設(shè)備上；還可以將其應(yīng)用于機(jī)器人、假肢及各種傳感器上。