Группа ученых Университета штата Техас в Далласе (University of Texas at Dallas) продемонстрировала совершенно новый тип искусственных мышц, которые сохраняют полную работоспособность при таких температурах, где ни один из видов искусственных мышц не может быть использован – от температуры жидкого азота (-196° C) до температуры, превышающей точку плавления железа (1538° C).

Результаты исследований опубликованы в недавнем номере Science (Giant Stroke, Superelastic Carbon Nanotube Aerogel Muscles). Приведенные в действие в определенном направлении, такие искусственные мышцы могут удлинняться в десять раз больше и со скоростью в 1000 раз более высокой, чем естественные мышцы. В другом направлении, будучи сжаты, они могут развивать силу, превосходящую в 30 раз силу, развиваемую естественными мышцами того же поперечного сечения. В то время как натуральные мышцы могут сокращаться в темпе 20% в секунду, новый вид искусственных мышц обладает способностью сокращаться в режиме 30 тыс.% в секунду.

А) Полоска искусственной мышцы в нерабочем состоянии (напряжение не приложено); В) Та же самая полоска искусственной мышцы (приложено напряжение 5 кВ); С) Та же самая полоска искусственной мышцы, приведенная в действие при температуре 1500К под напряжением 5 кВ.

Искусственные мышцы нового типа представляют собой пластины аэрогеля из углеродных нанотрубок, для получения которых в Университете разработана новая твердотельная технология. Аэрогель, который иногда называют застывшим дымом (frozen smoke) представляет собой твердотельный материал очень низкой плотности. Такой материал получают из геля, в котором жидкую компоненту замещают газом. Аэрогели, в основном, содержат воздух. Исходный материал представляет собой вертикально структурированные достаточно длинные нанотрубки, которые, благодаря такой организации, называют лесом нанотрубок, поскольку такие структуры по внешнему виду напоминают заросли бамбука. Подобные структуры могут быть сформованы в листы, которые имеют такую низкую плотность, что лист весом в одну унцию (1 унция примерно равна 28,3 г) может иметь площадь в 1 акр (примерно 0,4 га).

Микрофотография «леса» из углеродных нанотрубок, полученная при помощи сканирующего электронного микроскопа (Фото: д-р Р.Богман).

При приложении напряжения к аэрогельному листу, нанотрубки начинают отталкиваться друг от друга, что создает эффект работы мышцы. Эти прозрачные листы имеют весьма странные свойства, важные для работы мышц. Несмотря на столь низкую плотность (чуть ли не равную плотности воздуха), они имеют более высокую относительную прочность, чем стальная пластина. При сжатии в поперечном направлении они демонстрируют удивительные, более свойственные резине, свойства элластичности.

Один из авторов нового продукта проф. Рэй Богман (Ray H. Baughman) считает, что его свойства будут развиты другими группами ученых, и уже очень скоро изделия такого аэрогеля принесут огромную пользу человечеству.

По мнению проф. Богмана, скорее всего первыми найдут применения такие свойства нового продукта, как возможность изменения формы полос из нанотрубок путем изменения плотности аэрогеля. Благодаря столь легкому весу и изменяемой плотности аэрогели из углеродных нанотрубок являются весьма желанным материалом помимо применения в качестве искуственных мышц еще и в элементах солнечных батарей. Высокие электрические свойства наравне с возможностью значительно увеличивать площадь поверхности могут существенно улучшить параметры фотоэлементов, сделав их более эффективными и в приеме и в накоплении энергии солнечного излучения. В дополнение авторы считают, что поскольку новые искусственные мышцы могут работать при экстремально низких и очень высоких температурах, их применение в космосе практически очевидно.

Евгений Биргер