Электрические импульсы превратили углеродную нить в микроскопический манипулятор
Учёные нашли способ превратить обычное углеродное волокно, не толще человеческого волоса, в миниатюрный манипулятор, который может сгибаться и разгибаться по команде без использования прямого проводного подключения. Исследовательская группа из Польской академии наук предложила простое и элегантное решение давней проблемы создания точных и обратимо управляемых микроскопических устройств. Вместо того чтобы усложнять структуру волокна специальными покрытиями или модификациями, как это часто требуется при создании "умных" полимеров, учёные сосредоточились на взаимодействии электричества с поверхностью необработанного углеродного волокна.
В своей экспериментальной установке они поместили одиночное микроволокно в закрытую биполярную ячейку, заполненную жидкостью, содержащей ионы лития и перхлората, а также специальную редокс-пару. Ключевую роль сыграла естественная асимметрия поверхности некоторых волокон: наличие микроскопических бороздок и пор. При подаче внешнего напряжения на ячейку ионы из раствора начали внедряться в поверхность волокна неравномерно. На одной стороне волокна преобладали процессы окисления, на другой — восстановления, что привело к несимметричному натяжению материала. Из-за того, что ионов с одной стороны внедрялось больше, чем с другой, волокно начало изгибаться. При снятии или реверсировании напряжения ионы покидали поверхность, напряжение исчезало, и волокно возвращалось в исходное прямое положение. Весь процесс оказался полностью обратимым.
Важной особенностью эксперимента стала его "беспроводная" природа: само волокно не было напрямую подсоединено к источнику тока, а закрытая биполярная ячейка обеспечивала протекание необходимых реакций одновременно на обоих его концах. Учёные продемонстрировали, что, управляя длительностью и силой импульсов напряжения, можно заставлять волокно двигаться циклично, вверх и вниз, подобно крошечному пинцету. Это открывает перспективы для использования подобных необработанных асимметричных углеродных волокон в качестве простых и недорогих приводов для микророботов, компонентов микроэлектромеханических систем или инструментов для манипуляции объектами на микроуровне. Хотя работа находится на стадии концептуальной демонстрации, исследователи планируют продолжить оптимизацию производительности таких волокон, полагая, что их открытие обогатит арсенал инструментов в области мягкой робототехники и микромеханики.
Результаты исследования в журнале Nature Communications.