Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Полоска из диоксида ванадия со слоем хрома меняет форму при нагревании. Ист.: Nano Lett., 2012, 12 (12), pp 6302–6308
Тонкая пленка на основе диоксида ванадия будет являться основой для нового торсионного актюатора. Ист.: Nano Lett., 2012, 12 (12), pp 6302–6308
Старший преподаватель лаборатории Беркли и Университета Калифорнии Юнкяо Ву (Junqiao Wu).

Ученые Лаборатории Беркли создали новый вид микроактюаторов

Ключевые слова:  актюатор, диоксид ванадия, периодика, пьезоэлектрический эффект

Опубликовал(а):  Поверенная Мария

21 января 2013

Ученые Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики США (the U.S. Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory, далее – лаборатория Беркли) совместно с Калифорнийским университетом разработали изящный и высокоэффективный актюатор, который может совершать движения наподобие пальцев руки и имеет толщину меньше, чем толщина человеческого волоса. Актюатор основан на оксидном материале, который существенно расширяется и сокращается в ответ на малые температурные изменения. Авторы рассчитывают, что устройство может найти применение в микрофлюидике, доставке лекарств и создании искусственных мышц.

«Мы уверены, что наши микроактюаторы являются более эффективными и мощными, чем представители других существующих технологий микроскопических актюаторов, включая мышечные клетки человека», – заявляет старший преподаватель лаборатории Беркли и Университета Калифорнии Юнкяо Ву (Junqiao Wu). «Мы используем очень интересный материал – оксид ванадия (IV) – его фазовые переходы до сих пор вызывают большой интерес со стороны ученых».

Результаты своих исследований Ву и его коллеги опубликовали в журнале Nano Letters в декабре 2012 года. Как это часто бывает в науке, идея создать такой микроактюатор пришла ученым случайно, в процессе работы над совсем другими проблемами.

Диоксид ванадия является веществом с сильной взаимной корреляцией между электронами (поведение каждого электрона непрерывно связано с соседними электронами). Такая особенность делает диоксид ванадия объектом пристальных научных исследований на протяжении десятилетий, большая часть которых сосредоточена на природе двух необычных фазовых переходов.

Рис. 1. Единичный актюатор искривляется при изменении температуры на 15° (слева). Актюаторы в пальмовидной конфигурации «открываются» и «закрываются» наподобие захвата (справа). Маркер на фото соответствует 50 мкм.

При нагревании до 67° диоксид ванадия перестает быть изолятором, данный фазовый переход сопровождается также сжатием материала вдоль одного измерения и расширения по двум другим. На протяжении десятилетий ученые спорили, приводит ли один из фазовых переходов к появлению другого, или они являются отдельными явлениями, которые случайно возникают при одной и той же температуре.

Ву пролил свет на этот вопрос в одной из своих предыдущих работ, которая была опубликована в Physical Review Letters. Согласно ней ученым удалось выделить две отдельные фазы диоксида ванадия в виде монокристаллической нанопроволоки и показать, что процесс каждого фазового перехода можно контролировать отдельно. В процессе проведения экспериментов ученые столкнулись с трудностями, связанными с отрывом образующихся нанопроволок от контактов электрода во время фазового перехода.

«В процессе фазового перехода проволока длиною около 100 мкм сжимается где-то на 1 микрон, что, к сожалению, приводит к ее отрыву от контакта», – говорит Ву. «Спустя некоторое время мы задали себе вопрос, может ли то, что плохо здесь, стать хорошим свойством где-то в другом месте? Ответ пришел сразу».

Рис. 2. Облучение лазером приводит к мгновенной реакции микроактюатора. На представленных микроснимках показана возможность реагирования системы актюаторов по одному (вверху) или всех сразу (в середине). Такая система также хорошо работает в воде (внизу), что делает ее подходящей для биологического применения.

Для того чтобы использовать подобные системы, исследователи изготовили ряд отдельно стоящих полосок из диоксида ванадия со слоем металлического хрома, напыленного методом PVD. При нагревании полоски посредством небольшого электрического тока или вспышки лазера, диоксид ванадия сжимается, и полоска совершает движение наподобие «подзывающего» пальца руки.

«Смещение наших микроактюаторов поистине огромно», – говорит Ву, – «Актюатор может отклониться на десятки микрон при длине того же порядка. Это намного больше, чем можно получить с помощью пьезоэлектрического устройства, а происходит при этом с гораздо большей силой. Я настроен очень оптимистично и считаю, что наша технология в будущем станет конкурентоспособной по сравнению с пьезоэлектрической технологией, а впоследствии, возможно, даже заменит ее».

Пьезоэлектрические актюаторы являются стандартными механическими актюаторами на микромасштабе, однако, они требуют большого напряжения тока при малом отклонении. «Наш микроактюатор является очень простым устройством, используемое в нем вещество не является токсичным, а смещение, которое он может обеспечить, гораздо больше при значительно меньшем напряжении», – заявляет Ву, – «Вы можете увидеть, как он движется, даже с помощью оптического микроскопа. При этом важно отметить, что он одинаково хорошо работает и в водной среде, что определяет его хорошие перспективы для биологических приложений и микрофлюидики».

Исследователи предполагают использовать микроактюаторы в качестве крошечных насосов по доставке лекарств или в качестве механических мышц для микророботов. Исключительно высокая эффективность микроактюаторов (мощность на единицу объема) является большим преимуществом для этих приложений. Актюаторы на основе диоксида ванадия имеют силу на три порядка больше, чем в человеческих мышцах. Ву и его коллеги при сотрудничестве с Центром по опознаванию и реагированию Беркли (the Berkeley Sensor and Actuation Center) интегрировали свои актюаторы в роботизированные устройства по определению радиации в особо опасных условиях.

Следующая цель ученых – создать торсионный актюатор, что, по мнению Ву, является более интересной задачей. «Торсионные актюаторы обычно представляют собой достаточно сложную конструкцию из шестерен, валов и ремней, поэтому миниатюризировать их очень непросто. Однако, с помощью только одного слоя из тонкой пленки на основе диоксида ванадия можно будет создать очень простой торсионный актюатор», – уверен Ву.

Данное исследование было выполнено при поддержке Департамента науки Министерства энергетики США (the DOE Office of Science) и Национальным научным фондом (the National Science Foundation).

Автор: Alison Hatt


В статье использованы материалы: Berkeley Lab, Nano Letters: American Chemical Society


Средний балл: 10.0 (голосов 3)

 


Комментарии
Хм... вот для хрома К 6,2*10(-6), т.е. если взять даже почти любой пластик типа FET, PET, даже жёсткий полиуретан - разницы К будет достаточно, что создать более-менее эффективный актюатор. А сюда по работе, тут вся фишка именно в скорости его работы...
Яценова Дарья Игоревна, 24 января 2013 18:41 
Нормально...

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Золотая рыбка
Золотая рыбка

На XXI Менделеевском съезде награждены выдающиеся ученые-химики
11 сентября 2019 года в Санкт-Петербурге на XXI Менделеевском съезде по общей и прикладной химии объявлены победители премии выдающимся российским ученым в области химии. Премия учреждена Российским химическим обществом им. Д.И.Менделеева совместно с компанией Elsevier с целью продвижения и популяризации науки, поощрения выдающихся ученых в области химии и наук о материалах.

Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых
Россия подала в ЮНЕСКО заявку на учреждение премии имени Менделеева для молодых ученых. Об этом премьер-министр РФ Дмитрий Медведев сообщил, открывая встречу с нобелевскими лауреатами, руководителями химических обществ, представителями международных и российских научных организаций.

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Синтез “перламутровых” нанокомпозитов с помощью бактерий. Оптомагнитный нейрон.Устойчивость азотных нанотрубок. Электронные характеристики допированных фуллереновых димеров.

Люди, создающие новые материалы: от поколения X до поколения Z
Е.В.Сидорова
Самые диковинные экспонаты научной выставки, организованной в Москве в честь Международного года Периодической таблицы химических элементов в феврале 2019 г., можно было рассмотреть только "вооруженным глазом»: Таблица Д.И.Менделеева размером 5.0 × 8.7 мкм и нанопортрет первооткрывателя периодического закона великолепно демонстрировали возможности динамической АСМ-литографии на сканирующем зондовом микроскопе. Миниатюрные произведения представили юные участники творческих конкурсов XII Всероссийкой олимпиады по нанотехнологиям, когда-то задуманной академиком Ю.Д.Третьяковым — основателем факультета наук о материалах (ФНМ) Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. О том, как подобное взаимодействие со школьниками и студентами помогает сохранить своеобразие факультета и почему невозможно воплощать идею междисциплинарного естественнонаучного образования, относясь к обучению как к конвейеру, редактору журнала «Природа» рассказал заместитель декана ФНМ член-корреспондент РАН Е.А.Гудилин.

Как наночастицы применяются в медицине?
А. Звягин
В чем преимущества наночастиц? Как они помогают ученым в борьбе с раком? Биоинженер Андрей Звягин о наночастицах в химиотерапии, имиджинговых системах и борьбе с раком кожи.

Медицинская керамика: какими будут имплантаты будущего?
В.С. Комлев, Д. Распутина
Почему керамические изделия применяются в хирургии? Какие технологии используются для создания имплантатов? Материаловед Владимир Комлев о том, почему керамика используется в медицине, как на ее основе создаются имплантаты и какие перспективы у биоинженерии

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.