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
