p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab) e da Universidade da Califórnia, Berkeley, desenvolveram um novo atuador em microescala elegante e poderoso que pode se flexionar como um minúsculo dedo acenando. Com base em um material de óxido que se expande e se contrai dramaticamente em resposta a uma pequena variação de temperatura, os atuadores são menores do que a largura de um cabelo humano e são promissores para microfluídicos, entrega de drogas, e músculos artificiais. p "Acreditamos que nosso microatuador é mais eficiente e poderoso do que qualquer tecnologia de atuação em microescala atual, incluindo células musculares humanas, "diz o Laboratório de Berkeley e o cientista Junqiao Wu da UC Berkeley." Além do mais, ele usa esse material muito interessante - dióxido de vanádio - e nos diz mais sobre a ciência dos materiais fundamentais das transições de fase. "

p Wu é o autor correspondente de um artigo publicado em Nano Letras este mês, que relata essas descobertas, intitulado "Amplitude gigante, Microactuadores de alta densidade de trabalho com bimorfos de nanocamada ativados por transição de fase. "Como costuma acontecer na ciência, Wu e seus colegas chegaram à ideia do microactuador por acidente, enquanto estudava um problema diferente.

p O dióxido de vanádio é um exemplo clássico de um material fortemente correlacionado, o que significa que o comportamento de cada elétron está inextricavelmente ligado aos elétrons vizinhos. Os comportamentos eletrônicos exóticos resultantes tornaram o dióxido de vanádio um objeto de escrutínio científico por décadas, grande parte dele se concentrou em um par incomum de transições de fase.

p Quando aquecido acima de 67 graus Celsius, o dióxido de vanádio se transforma de um isolante em um metal, acompanhada por uma transição de fase estrutural que encolhe o material em uma dimensão enquanto se expande nas outras duas. Por décadas, pesquisadores têm debatido se uma dessas transições de fase impulsiona a outra ou se são fenômenos separados que coincidentemente ocorrem na mesma temperatura.

p Wu lançou luz sobre esta questão em um trabalho anterior publicado em Cartas de revisão física , em que ele e seus colegas isolaram as duas transições de fase em nanofios de cristal único de dióxido de vanádio e demonstraram que eles são separáveis ​​e podem ser conduzidos de forma independente. A equipe teve dificuldades com os experimentos, Contudo, quando os nanofios se separaram de seus contatos de eletrodo durante a transição de fase estrutural.

p "Na transição, um fio de 100 mícron de comprimento encolhe cerca de 1 mícron, que pode facilmente quebrar o contato, "diz Wu, que tem uma dupla nomeação como professor no departamento de Ciências e Engenharia de Materiais da UC Berkeley. "Então começamos a fazer a pergunta:isso é ruim, mas podemos fazer algo bom com isso? E a atuação é a aplicação natural. "

p Para aproveitar a redução, os pesquisadores fabricaram uma tira independente de dióxido de vanádio com uma camada de metal de cromo no topo. Quando a tira é aquecida por meio de uma pequena corrente elétrica ou um flash de luz laser, o dióxido de vanádio se contrai e toda a tira se curva como um dedo.

p "O deslocamento do nosso microactuador é enorme, "diz Wu, "dezenas de mícrons para um comprimento de atuador da mesma ordem de magnitude - muito maior do que você pode obter com um dispositivo piezoelétrico - e simultaneamente com uma força muito grande. Estou muito otimista de que esta tecnologia se tornará competitiva com a tecnologia piezoelétrica, e pode até substituí-lo. "

p Atuadores piezoelétricos são o padrão da indústria para atuação mecânica em microescalas, mas são complicados de crescer, precisam de grandes tensões para pequenos deslocamentos, e normalmente envolvem materiais tóxicos, como chumbo. "Mas nosso dispositivo é muito simples, o material não é tóxico, e o deslocamento é muito maior com uma tensão de acionamento muito mais baixa, "diz Wu." Você pode ver o movimento com um microscópio óptico! E funciona igualmente bem na água, tornando-o adequado para aplicações biológicas e microfluídicas. "

p Os pesquisadores prevêem o uso de microactuadores como pequenas bombas para entrega de drogas ou como músculos mecânicos em robôs em microescala. Nesses aplicativos, a densidade de trabalho excepcionalmente alta do atuador - a potência que ele pode fornecer por unidade de volume - oferece uma grande vantagem. Onça por onça, os atuadores de dióxido de vanádio fornecem uma força três ordens de magnitude maior do que o músculo humano. Wu e seus colegas já estão fazendo parceria com o Berkeley Sensing and Actuation Center para integrar seus atuadores em dispositivos para aplicações como robôs de detecção de radiação para ambientes perigosos.

p O próximo objetivo da equipe é criar um atuador de torção, o que é uma perspectiva muito mais desafiadora. Wu explains:"Torsion actuators typically involve a complicated design of gears, shafts and/or belts, and so miniaturization is a challenge. But here we see that with just a layer of thin-film we could also make a very simple torsional actuator."