ננו-צינוריות – שרירים מלאכותיים – סופרמן הגיע לכאן!

סרטי ננו-צינוריות מפחמן שמתפקדים כשרירים מלאכותיים פותחו על ידי חוקרים מאוניברסיטת טקסס אשר בדלאס, וכיאה לננו-צינוריות, הם בעלי חוזק חומרים עצום. ניתן למתוח אותם כאילו היו גומי והם קלים יותר מהאוויר. הסרטים מורכבים מננו-צינוריות סבוכות ארוכות בעובי של 11 ננו-מטר, והם מסוגלים להימתח ליותר מפי שלושה מרוחבם הרגיל. ואולם הם קשיחים יותר וחזקים יותר מאשר פלדה נצורה. הם יכולים להימתח ולהתכווץ פי אלפי מונים ולסבול טמפרטורות בטווח של בין מינוס 190 מעלות צלסיוס ועד אפילו 1600 מעלות צליוס. ואף יותר מזה, הם בעלי מסה מינימלית ולכן כמעט קלים כמו האוויר עצמו. ואם לא די בכך, סרטי הננו-צינוריות שקופים, מוליכים וגמישים. ברוכים הבאים לעידן סופרמן! קחו כמה סיבי סרטים כאלו ותוכלו להרים את בנין האמפייר סטייט בילדינג בניו יורק?…. קורי העכביש של ספיידרמן כבר מזמן כאן…

סופרמן וספיידרמן

שרירי ננו צינוריות-פחמן

האיור מראה מה קורה כאשר מישמים חמישה קילו-וולט מתח לתוך רצועה ברוחב של שני מילימטרים של חומר ננו-צינורית אוורירית? היא מתרחבת לכדי פי שלושה מרוחבה המקורי. Ray Baughman, UT Dallas

לסרטים ראו כאן.

וגם כאן עוד סרט.

מהי ננוטכנולוגיה?

בשנים האחרונות הננוטכנולוגיה נהפכה לאחד מתחומי הפיזיקה, הכימיה, ההנדסה והביולוגיה החשובים והמרתקים ביותר. היא מראה הבטחה רבה בעתיד הקרוב בכך שתביא לנו פריצות דרך רבות שתשננה את כיוון ההתקדמויות הטכנולוגיות במגוון רחב של אפליקציות. מה זה בכלל ננוטכנולוגיה? המילה “ננו” פירושה מיליארדית או ביליונית. ובמספרים: 1x10-9. הננוטכנולוגיה עוסקת במגוון מבנים של החומר בעלי ממדים מסדר גודל של המיליארדית של המטר. כלומר, הננוטכנולוגיה מבוססת על ההכרה שחלקיקים קטנים יותר מגודל של 100 ננומטר (מיליארדית המטר) מקנים למבנים ננומטריים שבנויים מהם תכונות חדשות והתנהגות חדשה. זה מתרחש בגלל שהחלקיקים שהם קטנים יותר מהאורך האופייני שקשור לתופעות האופייניות לרוב מפגינים כימיה ופיזיקה חדשות! כימיה ופיזיקה חדשות אלה מובילות להתנהגות חדשה שהיא תלויה בגודל של המבנים הננומטריים. כך למשל המבנה האלקטרוני, המוליכות, התגובתיות, טמפרטורת ההמסה והתכונות המכניות – כן, כן כולן משתנות כאשר החלקיקים נעשים קטנים יותר מאשר הגודל הקריטי. התלות בהתנהגות בגודל של החלקיק יכולה לאפשר למהנדס לתכנן את תכונותיהם וכך לבנות רכיבים חדשים. ברוכים הבאים לעולם הטכנולוגיה החדשה של הננו-רכיבים.

לננו-רכיבים יש פוטנציאל אדיר לתרום להתקדמות על פני טווח נרחב ומגוון של תחומים טכנולוגיים שמתפרשים מיצירת חומרים חזקים יותר וקלים יותר ועד קיצור זמן תמסורת העברת התרופות לתוך הגוף – באמצעות קפסולות? בתוך מערכת הדם וגם הגדלת קיבולת האחסון של המדיה המגנטית ואספקה של מתגים מהירים יותר עבור מחשבים.

קצת היסטוריה לא תזיק נכון? ודאי שלא. לא ברור מתי אנשים גילו את היתרון של החומרים בגודל המזערי כל כך – הננו-חלקיקים. ידוע שבמאה הרביעית אחר הספירה יוצרי הזכוכיות הרומאים יצרו זכויות שהכילו מתכות בגודל ננו. נותר שריד מתקופה זו שמצוי במוזיאון הבריטי בלונדון – כוס – שמכיל ננו חלקיקים בין השאר מזהב. הצבע של הכוס משתנה מירוק לאדום כאשר מקור אור ממוקם בתוכה. המגוון הרחב של צבעים מרהיבים בחלונות של קתדרלות מימי הביניים הוא עקב הנוכחות של ננו חלקיקים מתכתיים בזכוכית. כמובן שנקפץ לנו פה על פני ההיסטוריה…

ב-1996 – כבר קפצנו כמעט למאה ה-21… מספר סוכנויות ממשלתיות בארה”ב שמובלות על ידי הקרן למדע לאומי פתחו במחקר לעמוד על המצב העולמי של המגמות, המחקר והפיתוח בננו-מדע ובננוטכנולוגיה.

שני ממצאים עלו מהמחקר:

1) ממצא ראשון:

חומרים יכולים להיות מעוצבים ברמת הננו כך שתתקבלנה תכונות חדשות ויתקבלו ביצועים חדשים. הפיזיקה והכימיה היסודיות להן הורגלנו במשך שנים מעולם המאקרו…הן משתנות כאשר הממדים של המוצק נעשים ברי השוואה לגודל בתחום הננומטרי. אחת מהדוגמאות החשובות ביותר היא מה קורה לחומר מוליך למחצה בגודל זה? המבנה האלקטרוני של המערכת לחלוטין משתנה. זהו הבסיס למה שקרוי הנקודה הקוואנטית בננוטכנולוגיה שמשמשת כיום לקריאת קומפט דיסקים.

הכח המניע מאחורי הננוטכנולוגיה הוא ההכרה שלחומרים הננוטכנולוגיים יכולה להיות פיזיקה וכימיה שונה בתכלית מזו של חומרי הגלם בעולם המאקרו או/וגם המיקרו והשאלה היא מהם ההבדלים בתכונות פיזיקאליות וכימיות אלה ומהן הסיבות להם? למשל האם חוק אוהם המפורסם והכל כך מבוסס בעולם האלקטרוניקה של המאקרו והמיקרו תקף בעולם הננומטרי? לא.

בנוסף, חומרים מעובדים שמורכבים מגרגרים בגודל ננומטרי הם בעלי תכונות מכניות לחלוטין שונות מאשר חומרים בעולם המאקרו והמיקרו.

2) ממצא שני:

ההכרה בטווח הרחב של תחומים שתורמים להתפתחות של תחום הננוטכנולוגיה. עבודה בתחום יכולה להימצא במחלקות כמו פיזיקה, כימיה, ביולוגיה, מדעי הסביבה, הנדסה וכדומה. הננוטכנולוגיה היא תחום אינטרדיסציפלינרי.

 

מהן ננו-צינוריות? 


ננו-צינורות: ניתן לחשוב על הננו-צינורית פחמן כמעין גיליון מגרפיט שמגולגל לצינור בעל שפות בסוף הגיליון שיוצרות את הקשרים שסוגרים את הצינור. מבנה הצינור נוצר מגלגול גיליון הגרפיט סביב צירו מקביל לקשרי ה-C-C (קשרי פחמן-פחמן). ננו-צינורית בעלת דפנות יחידים יכולה שיהיו לה קוטר של שני ננו מטרים ואורך של 100μmזה מה שהופך את הננו-צינורית אפקטיבית למבנה חד ממדי שקרוי nanowire

ישנם כמה מבנים לננו-צינוריות מפחמן, ומספר מבנים אלה הם בעלי תכונות שונות. למרות שננו-צינוריות מפחמן לא מורכבים מעשית מגלגול של גיליונות גרפיט, ניתן להסביר את המבנים השונים על ידי בחינה של הדרך שבה גיליונות גרפיט עלולים להתגלגל לצינורות. באופן כללי הננו-צינוריות סגורים בשני הקצוות, מה שמכניס סידור פנטגונאלי מבחינה טופולוגית לכל קצה של הגליל.

לננו-צינוריות מפחמן יש את התכונה המעניינת מאוד שהם מתכתיים או מוליכים למחצה, תלוי בקוטר ובכירליות של הצינור. הכירליות מתייחסת לאופן שבו הצינורות מגולגלים ביחס לכיוון הציר במישור הגרפיט. בדרך כלל הצינורות הם שני שליש מוליכים למחצה ושליש מתכתיים.

משתמשים במיקרוסקופ המנהור הסורק (ה-STM) כדי לחקור את המבנה האלקטרוני של הננו-ציוריות מפחמן. המיקום של מחט ה-STM ממוקמת מעל לננו-צינורית והמתח שבין המחט של ה-STM והדוגמית נסרקת בעוד זרם המנהור מבצע את הסריקה. בודקים את המוליכות הנמדדת. הגרפים של ה-STM שהמוליכות חזקה לאורך ציר הצינור, מה שגורם לננו-צינוריות לתפקד כחוטים קוואנטיים חד ממדיים. באופן כללי דפקטים במערכות חד-ממדיות גורמים ללוקליזציה של אלקטרונים. אבל, דפקט בננו-צינורית לא יגרום ללוקליזציה בגלל שהאפקט ממוצע על פני כל היקף הצינור.

במצב המוליך של הננו-צינורית, המוליכות של הננו-צינוריות היא מאוד גבוהה. מעריכים שהן יכולות לשאת מיליארד אמפר לסנטימטר מרובע. לעומת זאת, חוטי נחושת לא מצליחים לשאת מיליון אמפר לסנטימטר מרובע בגלל התחממות מתנגדת שממיסה את החוט. סיבה אחת למוליכות גבוהה של הצינורות הננו מפחמן היא שיש להם מעט מאוד דפקטים מבחינת פיזור האלקטרונים, ולכן התנגדות מאוד נמוכה. זרם גבוה לא מחמם את הצינורות באותו האופן שבו הוא מחמם את חוטי הנחושת. ננו-צינוריות הם גם בעלי מוליכות תרמית מאוד גבוהה, כמעט פי 2 יותר מאשר יהלום. פירושו של דבר שהם גם מוליכים מאוד טובים של חום.

בנוסף ננו-צינוריות הם מאוד חזקים מבחינה מכנית. אם משקל מחובר לקצות חוט דק שנעוץ לגג של חדר, החוט ימתח ובסוף יקרע. כאשר ננו-ציוריות מעוקמים הם מאוד גמישים. הם מתעקמים אבל לא נשברים, וניתן לישר אותם חזרה מבלי להרסם.

מרבית החומרים נשברים כאשר מעקמים אותם בגלל הנוכחות של פגמים כמו חריגות ושיבושים או פגמים בשפות החומרים. בגלל שננו-צינוריות מפחמן הם בעלי מינימום של דפקטים במבנה הדפנות שלהם, זה לא קורה. סיבה נוספת מדוע הננו-צינוריות לא נשברים היא הבאה. כאשר הם מעוקמים מאוד, הטבעות ההקסגונאליות מפחמן בדפנות משנות את צורתן, אבל לא נשברות. זוהי תוצאה ייחודית של תכונות של קשרי פחמן-פחמן והתעקמותם.

ננו-צינוריות ושרירים-מלאכותיים – סופרמן בדרך אלינו?

עתה פותחו סרטי ננו-צינוריות מפחמן על ידי חוקרים מאוניברסיטת טקסס אשר בדלאס, וכיאה לננו-צינוריות, הם בעלי חוזק חומר יותר מאשר פלדה וניתן למתוח אותם כאילו היו גומי. הסרטים מורכבים מננו-צינוריות סבוכות ארוכות בעובי של 11 ננו-מטר, והם מסוגלים להימתח ליותר מפי שלושה מרוחבם הרגיל. ואולם הם קשיחים יותר וחזקים יותר מאשר פלדה נצורה. הם יכולים להימתח ולהתכווץ פי אלפי מונים ולסבול טמפרטורות בטווח של בין מינוס 190 מעלות צלסיוס ועד אפילו 1600 מעלות צליוס. ואף יותר מזה, הם בעלי מסה מינימלית ולכן כמעט קלים כמו האוויר עצמו, והם שקופים, מוליכים וגמישים. ברוכים הבאים לעידן סופרמן! קחו כמה סיבי סרטים כאלו ותוכלו להרים את בנין אמפייר סטייט בילדינג בניו יורק?…. זהו שבדיוק בזה מדובר, בשרירים מלאכותיים!

החומר החדש שהוצג בכתב העת סאיינס אתמול למען האמת, פותח על ידי ריי בוגמאן, המנהל של המכון לננוטק באוניברסיטת דלאס, אותו מכון שמפתח סוגים שונים של ננו-צינוריות שמבוססות על מה שקרוי “שרירים מלאכותיים”, שמיועדים לאיברים תותבים ולרובוטיקה.

Ray H. Baughman

ריי בוגמאן

חומרים אלה משנים את צורתם ואת גודלם כתגובה לסיגנלים חשמליים וכימיים. תגובתיות שהיא אולי דומה לחומרים “הישנים” שקרויים חומרים פיזואלקטריים, אלא שהחומרים הפיזואלקטריים הם מה שנכנה מאקרוסקופיים, ואילו כאן מדובר בננו-צינוריות. המעבדה הננוטכנולוגית בדאלס פתחה עד כה חומרים חדשים.

עד כה המעבדה פתחה שרירים מלאכותיים מננו-צינוריות כאיברים תותבים שמתרחבים עד לאחוז אחד בלבד, ומפעילים עד לפי 100 פעם יותר כוח מאשר השריר האנושי על שטח מסוים. החוזק של הננו-צינוריות לכן לא ממוצה עד תום (שנת 2006).

Carbon-nanotube yarns such as this one can be used as powerful actuators.
Credit: Science

אולם עתה מסתבר שבאמתחתה של המעבדה הננוטכנולוגיה סרטי ננו-צינוריות שמתפקדים כשרירים מלאכותיים, או אקטואטורים, המתרחבים עד פי 200 אחוז ויוצרים כוחות קטנים ליחידת שטח, וכך הם מתאימים לרובוטיקה. או אולי בהחלט יכולים להתאים לאגדת סופרמן שירד מכוכב קריפטון ורוצה להרים את האמפייר סטייט בילדינג?…

שרירים מלאכותיים ויישומם לנאסא

מכיוון שסרטי הננו-צינוריות האלה הם אולטרא קלי משקל וניתן לטפל בהם בטמפרטורות קיצוניות, הם אולי יכולים להיות מאוד יעילים ליצירת חלקי רכבי חלל. כך לפחות מציע המדען הישראלי שלנו בנאסא ד”ר יוסף בר-כהן, חוקר בכיר במעבדה להנאה סילונית בקליפורניה. הרי בחלל התנאים הם מאוד קיצוניים כידוע, כמו למשל בפלנטות כמו מאדים ונגה. ניתן למשל לטפל באמצעות רובוט חלל במשטח של נגה בעל הטמפרטורה הקיצונית של 460 מעלות או בזה של מינוס 200 מעלות שמצוי בירח של צדק, אירופה. המסה הנמוכה של החומר החדש היא מאוד מושכת למשימות רובוטיות כאלה, אומר בר כהן.

המאמר:

Science 20 March 2009:
Vol. 323. no. 5921, pp. 1575 – 1578
DOI: 10.1126/science.1168312

 

Research Articles

Giant-Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles

Ali E. Aliev, Jiyoung Oh, Mikhail E. Kozlov, Alexander A. Kuznetsov, Shaoli Fang, Alexandre F. Fonseca, Raquel Ovalle, Márcio D. Lima, Mohammad H. Haque, Yuri N. Gartstein, Mei Zhang,* Anvar A. Zakhidov, Ray H. Baughman

Improved electrically powered artificial muscles are needed for generating force, moving objects, and accomplishing work. Carbon nanotube aerogel sheets are the sole component of new artificial muscles that provide giant elongations and elongation rates of 220% and (3.7 x 104)% per second, respectively, at operating temperatures from 80 to 1900 kelvin. These solid-state–fabricated sheets are enthalpic rubbers having gaslike density and specific strength in one direction higher than those of steel plate. Actuation decreases nanotube aerogel density and can be permanently frozen for such device applications as transparent electrodes. Poisson’s ratios reach 15, a factor of 30 higher than for conventional rubbers. These giant Poisson’s ratios explain the observed opposite sign of width and length actuation and result in rare properties: negative linear compressibility and stretch densification.

The Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute, University of Texas at Dallas, Richardson, TX 75083, USA.

* Present address: Department of Industrial Engineering, Florida State University, Tallahassee, FL 32306, USA.

To whom correspondence should be addressed. E-mail: ray.baughman@utdallas.edu

 

Advertisements

One thought on “ננו-צינוריות – שרירים מלאכותיים – סופרמן הגיע לכאן!

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s