Cơ ống nano xoắn và quay

Một đội nghiên cứu quốc tế vừa phát minh ra một loại cơ nhân tạo mới chế tạo từ sợi ống nano carbon. Cấu trúc mới khác với những loại cơ nhân tạo khác ở chỗ chúng có thể xoắn và xoay rất nhanh.

Những sợi nano mới có thể giữ một vai trò quan trọng trong những kĩ thuật đòi hỏi sự chuyển động cơ nhưng không gian thì hạn chế, theo lời Geoff Spinks thuộc trường Đại học Wollongong ở Australia, một thành viên trong nhóm nghiên cứu trên. Thí dụ bao gồm hệ vi lỏng, kĩ thuật van và kĩ thuật rô bôt. Phát triển trên sẽ được chào đón bởi các nhà công nghệ nano học, vì họ phải vật lộn với việc chế tạo những bộ kích cơ cỡ nano. Những ý tưởng mới là cần thiết vì việc xây dựng những phiên bản nhỏ xíu của những dụng cụ thông thường có thể thật khó khăn – và ngay cả khi có thể thì những phiên bản thu nhỏ như thế thường hoạt động không tốt.

Đội nghiên cứu, đứng đầu là Spinks và Ray Baughman thuộc trường Đại học Texas ở Dallas, đã chế tạo cơ bằng những sợi ống nano carbon. Ống nano carbon là những ống trụ rỗng gồm những tấm carbon cuộn lại, những tấm đó có thể chỉ dày một nguyên tử. Khâu then chốt để tạo ra những cấu trúc xoắn là bện ống nano carbon lúc chế tạo thành chỉ sợi, Spinks giải thích. “Sự bện tạo ra một cấu trúc xoắn ốc gồm những ống nano carbon quấn lấy nhau”.

Ảnh chụp hiển vi điện tử quét của một sợi ống nano carbon với đường kính 3,8 µm. Những sợi như vậy đã được sử dụng để tạo ra những sợi cơ xoắn. (Ảnh: Đại học Texas)

Tháo xoắn

Các nhà nghiên cứu lấy những ống nano dài và nhúng một phần chúng trong một chất lỏng dẫn điện (hay chất điện phân). Sau đó, họ giữ chắc mỗi đầu của sợi và nối một đầu của nó với nguồn cấp điện, ví dụ như một cục pin điện áp thấp. Khi được cấp năng lượng, sợi tơ hấp thụ một phần chất lỏng và trương lên. Áp suất sinh bởi sự trương sau đó làm cho cấu trúc xoắn một phần bị tháo xoắn, vì thế tạo ra một tác dụng quay giống như cái người ta nhìn thấy khi kéo căng một cái lò xo xoắn ốc. Cấu trúc trên có thể làm cho quay theo chiều ngược lại bằng cách giảm điện áp đặt vào.

Một bình điện hóa chứa đầy chất điện phân dùng để kiểm tra tác dụng tháo xoắn của sợi ống nano carbon. Sự tháo xoắn làm quay cái cánh gắn với sợi ống nano. (Ảnh: N Foxon)

Đội nghiên cứu quan sát chuyển động quay bằng cách gắn một cái cánh bằng plastic vào sợi tơ. Họ nhận thấy chúng có thể tạo ra chuyển động quay khoảng 250^o trên mỗi mili mét chiều dài sợi. Giá trị này lớn gấp chừng 1000 lần so với giá trị quan sát thấy trong những hệ cơ xoắn nhân tạo trước đây xây dựng trên những hợp kim chứa sắt, ghi nhớ hình dạng, hay các polymer hữu cơ dẫn điện. Và chưa hết: công suất phát tính trên đơn vị khối lượng của sợi tơ có thể sánh với những động cơ điện thông thường.

“Ống nano carbon, chất liệu thường cứng và bền nhưng có thể linh hoạt hơn nếu bện chúng thành sợi, thật lí tưởng cho việc chế tạo những cấu trúc dạng cơ vì chúng có sự dẫn điện tốt”, Spinks nói. “Công trình của chúng tôi còn chứng tỏ rằng chúng ta có thể tích điện hiệu quả cho sợi tơ với chỉ vài volt điện, và các sợi đủ bền để chống chịu những sức nặng lớn – ví dụ, cái cánh plastic gắn vào sợi nặng gấp gần 2000 lần bản thân sợi”.

Những vi rô bôt đẩy

Những cấu trúc trên có thể hữu ích trong những ứng dụng như máy bơm vi lỏng, van điều khiển và máy trộn. Thật vậy, cơ cấu do các nghiên cứu sử dụng (một cái cánh plastic gắn với sợi tơ quay) là một máy trộn đơn giản theo đúng nghĩa của nó. Việc hòa trộn các chất lỏng ở cấp độ micro và nano thật khó nhưng sẽ là thiết yếu cho những chẩn đoán kiểu phòng-thí-nghiệm-trên-con-chip, chẳng hạn. “Những ứng dụng khả dĩ khác thật khó dự đoán, nhưng chúng tôi đã bị mê hoặc trước khả năng sử dụng cơ xoắn của chúng tôi giống như một con trùng roi đẩy một con vi rô bôt theo kiểu giống như nó đẩy vi khuẩn vậy”, Spinks nói.

Đội khoa học hi vọng nghiên cứu những cấu trúc dạng cơ đó một cách chi tiết hơn và tối ưu hóa dạng hình học của sợi. Họ cũng hi vọng tạo ra những cơ xoắn ống nano carbon làm việc hiệu quả hơn bằng cách điều chỉnh góc xoắn và đường kính.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp