Диоксид ванадия готов присоединиться к пантеону суперзвезд в мире материалов

Уже оцененный должным образом за свою экстраординарную способность изменять размер, форму и физический облик, диоксид ванадия теперь может добавить к своим атрибутам мышечную силу.

Группа ученых из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США продемонстрировала микроразмерный автоматизированный торсионный двигатель/мышцу, сделанный из диоксида ванадия, который для своего размера обладает тысячекратной мощностью, нежели человеческий мускул, и способен катапультировать объекты, которые в 50 раз тяжелее его по массе, на расстояние, в пять раз превышающее его длину, за 60 миллисекунд, то есть быстрее, чем мы успеваем моргнуть.

«Мы разработали микро-биоморфную двойную катушку, которая функционирует как мощный торсионный мускул, активируемый термическим или электротермическим путем переходной фазы диоксида ванадия», сообщил ведущий исследователь, физик Цзюн Цяо Ву из Калифорнийского университета в Беркли. „С помощью простого проекта и неорганических материалов мы достигли превосходной эффективности в удельной мощности и скорости двигателей и приводов, используемых сегодня в интегрированных микросистемах“.

Результаты исследования опубликованы в издании Advanced Materials.

Диоксид ванадия становится столь популярным в электронной промышленности благодаря тому, что он один из немногих при низкой температуре является изолятором, а уже при 67 градусах выше нуля по Цельсию резко становится проводником. Этот термоуправляемый фазовый переход от изолятора к металлу, как ожидается, приведет к появлению более быстрых, энергоэффективных электронных и оптических устройств. Однако кристаллы диоксида ванадия также подвергаются термоуправляемому структурному фазовому переходу: в момент нагрева они быстро сокращаются в одном измерении, в то время как в двух оставшихся — расширяются. Это делает диоксид ванадия идеальным кандидатом для создания миниатюрных, многофункциональных двигателей и искусственных мышц.

«Миниатюризация ротационных двигателей необходима для интегрированных микросистем, и потому ей посвятили немало исследований за последние десятилетия», отметил Ву. „Удельная мощность нашего микромускула в сочетании с его мультифункциональностью выделяет его из текущих макро- или микроторсионных двигателей и приводов“.

Ву с коллегами изготовили микромускул на кремниевой основе из длинной биоморфной ленты в форме «V», состоящей из диоксида ванадия и хрома. Когда лента снимается с основания, она формирует спираль, состоящую из двойного витка, который обоими концами связан с хромовым электродом. Нагрев катушки приводит ее в действие, превращая в микрокатапульту, которая выбрасывает удерживаемый объект, или в датчик близости, в котором удаленная детекция объекта вызывает „микровзрыв“, быстрое изменение резистенции и формы, за счет чего происходит выталкивание объекта.

«Множество микромускулов может сформировать микроавтоматизированную систему, которая моделирует активную нейромышечную систему», сообщил Ву. „Нормально сочетаемые функции детекции и торсионного движения позволяют устройству удаленно обнаруживать цель и реагировать, меняя форму. Этот механизм моделирует естественный мышечный механизм, срабатывающий в ответ на стимулы“.

Микромускулы из диоксида ванадия продемонстрировали обратимое торсионное движение в течение более чем миллиона циклов без каких-либо ухудшений или спада. Также они показали скорость вращения примерно до 200000 оборотов в минуту, с амплитудой 500-2000 градусов на миллиметр в длину, и удельную мощность энергии порядка 39 киловатт/килограмм.

«Все эти метрики на порядок больше, чем у существующих торсионных двигателей, основанных на электростатике, магнетике, углеродных нанотрубках или пьезоэлектрике», сказал Ву.

Нагревание микромускула из диоксида ванадия для приведения его в действие может производиться глобально с помощью крошечной электрогрелки, либо посредством электрического тока. Нагрев током — лучший способ, поскольку он позволяет выборочно нагревать отдельные микромускулы, а сам процесс нагрева и охлаждения проходит быстрее. Наконец, поскольку диоксида ванадия поглощает свет, преобразуя его в тепло, нагреть микромускул можно оптотермическим путем.

«С учетом мощности и мультифункциональности, наш микромускул демонстрирует значительный потенциал для применения, когда требуется высокий уровень интеграции функциональных возможностей в небольшом масштабе», заключил Ву.