p Por mais de 15 anos, pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas e seus colaboradores nos EUA, Austrália, A Coreia do Sul e a China fabricaram músculos artificiais torcendo e enrolando nanotubos de carbono ou fios de polímero. Quando alimentado termicamente, esses músculos atuam contraindo seu comprimento quando aquecidos e retornando ao comprimento inicial quando resfriados. Esses músculos artificiais termicamente acionados, Contudo, têm limitações. p Músculos nanotubos de carbono acionados eletroquimicamente (CNT) fornecem uma abordagem alternativa para atender à necessidade crescente de poderoso, músculos artificiais de grande curso para aplicações que variam de robótica e bombas cardíacas a roupas que se transformam.

p "Músculos acionados eletroquimicamente são especialmente promissores, uma vez que suas eficiências de conversão de energia não são restringidas pelo limite do motor térmico termodinâmico dos músculos térmicos, e eles podem manter grandes cursos contráteis enquanto suportam cargas pesadas sem consumir energia significativa, "disse o Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry e diretor do Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute da UT Dallas. "Em contraste, os músculos humanos e os músculos com energia térmica precisam de uma grande quantidade de energia de entrada para suportar cargas pesadas, mesmo quando não realizam trabalho mecânico. "

p Em um estudo publicado online em 28 de janeiro no jornal Ciência , os pesquisadores descrevem a criação poderosa, músculos eletroquímicos unipolares que se contraem mais quando dirigidos mais rápido, resolvendo assim problemas importantes que limitaram as aplicações desses músculos.

p Os músculos do fio CNT energizados eletroquimicamente são acionados pela aplicação de uma voltagem entre o músculo e um contra-eletrodo, que conduz íons de um eletrólito circundante para o músculo.

p Mas existem limitações para os músculos CNT eletroquímicos. Primeiro, a atuação muscular é bipolar, o que significa que o movimento muscular - expansão ou contração - muda de direção durante uma varredura potencial. O potencial no qual o curso muda de direção é o potencial de carga zero, e a taxa na qual o potencial muda ao longo do tempo é a taxa de varredura potencial.

p Outro problema:um determinado eletrólito é estável apenas em uma faixa específica de voltagens. Fora desta faixa, o eletrólito se decompõe.

p "Os músculos do fio anteriores não podem usar toda a faixa de estabilidade do eletrólito, "disse Baughman, um autor correspondente do estudo. "Também, a capacitância do músculo - sua capacidade de armazenar a carga necessária para a atuação - diminui com o aumento da taxa de varredura potencial, fazendo com que o movimento do músculo diminua drasticamente com o aumento da taxa de ativação. "

p Para resolver esses problemas, os pesquisadores descobriram que as superfícies internas dos fios de nanotubos de carbono enrolados podem ser revestidas com um polímero condutor ionicamente adequado que contém grupos químicos carregados positiva ou negativamente.

p "Este revestimento de polímero converte a atuação bipolar normal de fios de nanotubos de carbono em atuação unipolar, onde o músculo atua em uma direção ao longo de toda a faixa de estabilidade do eletrólito, "Baughman disse." Este comportamento há muito procurado tem consequências surpreendentes que tornam os músculos do nanotubo de carbono eletroquímico muito mais rápidos e mais poderosos. "

p Estudante de doutorado em química Zhong Wang, um co-primeiro autor do estudo, explicou a ciência subjacente:"O campo dipolar do polímero muda o potencial de carga zero - que é onde a carga eletrônica nos nanotubos muda de sinal - para fora da faixa de estabilidade do eletrólito. íons de apenas um sinal são injetados eletroquimicamente para compensar esta carga eletrônica, e o movimento do músculo muda em uma direção ao longo de toda a gama de varredura potencial utilizável. "

p Dr. Jiuke Mu, professor associado de pesquisa no UT Dallas NanoTech Institute e co-primeiro autor, disse que o revestimento de polímero ajuda a resolver o problema de capacitância dos músculos do fio eletroquímico.

p "O número de moléculas de solvente bombeadas para o músculo por cada íon aumenta com o aumento da taxa de varredura potencial para alguns músculos unipolares, que aumenta o tamanho efetivo do íon que impulsiona a atuação, "Mu disse." Assim, o acidente vascular cerebral pode aumentar por um fator de 3,8 com o aumento da taxa de varredura potencial, enquanto o curso dos músculos do fio de nanotubos de carbono sem o revestimento de polímero diminui por um fator de 4,2 para as mesmas mudanças na taxa de varredura potencial. "

p Os avanços fornecem músculos unipolares eletroquímicos que se contraem para gerar uma potência mecânica de saída média máxima por peso de músculo de 2,9 watts / grama, que é cerca de 10 vezes a capacidade típica do músculo humano e cerca de 2,2 vezes a capacidade de potência normalizada por peso de um motor diesel V-8 turboalimentado.

p O revestimento de polímero usado para produzir esses resultados foi poli (4-estirenossulfonato de sódio), que é aprovado para uso de drogas e barato o suficiente para uso em amaciamento de água. A incorporação deste convidado de polímero permitiu a operação prática de um músculo de nanotubo de carbono de altas temperaturas a menos de 30 graus Celsius negativos.

p Wang disse que a equipe também descobriu que o comportamento unipolar, sem golpes com taxa de varredura aprimorada, pode ser obtido quando nanoplacas de óxido de grafeno foram incorporadas ao músculo do fio usando um processo de biscrolling que os pesquisadores da UT Dallas criaram e patentearam.

p "O uso deste convidado para fornecer os campos dipolares necessários para o comportamento unipolar aumentou a saída de potência mecânica contrátil média máxima do músculo para notáveis ​​8,2 watts / grama, que é 29 vezes a capacidade máxima do mesmo peso de músculo humano e cerca de 6,2 vezes a de um motor diesel V-8 turboalimentado, "Disse Wang.

p "Também descobrimos que dois tipos diferentes de músculos do fio unipolar, cada um com traços com taxa de varredura aprimorada, pode ser combinado para fazer um eletrodo duplo, músculo de fio totalmente sólido, eliminando assim a necessidade de um banho de eletrólito líquido, "Wang disse." Um eletrólito de estado sólido é usado para interconectar lateralmente dois fios de nanotubos de carbono enrolados que contêm diferentes convidados de polímero, um tendo substituintes carregados negativamente e o outro tendo substituintes carregados positivamente. Ambos os fios se contraem durante a carga para contribuir de forma aditiva para a atuação, por causa da injeção de íons positivos e negativos, respectivamente. Esses músculos unipolares de eletrodo duplo foram tecidos para fazer tecidos atuantes que poderiam ser usados ​​para transformar roupas. "