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Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EEUU (DOE) y la Universidad de California, Berkeley, han desarrollado un elegante y poderoso actuador a microescala que puede flexionarse como un pequeño dedo. Basado en un óxido que se expande y contrae dramáticamente en respuesta a una pequeña variación de temperatura, los actuadores son más pequeñas que el espesor de un cabello humano y son prometedores para la microfluídica, administración de fármacos y para músculos artificiales

“Creemos que nuestra microaccionador es más eficiente y poderoso que cualquier otra tecnología de accionamiento actual a microescala, incluyendo las células musculares humanas”, dice el científico Junqiao Wu del Berkeley Lab y UC Berkeley. “Lo que es más, utiliza este interesante material-vanadio-dióxido y nos dice más acerca de la ciencia de los materiales fundamentales de las transiciones de fase”.

Wu es el autor del artículo que aparece en la revista Nano Letters este mes, donde se informan estos resultados, titulado “Giant-Amplitude, High-Work Density Microactuators with Phase Transition Activated Nanolayer Bimorphs”. Como sucede a menudo en la ciencia, Wu y sus colegas llegaron a la idea del microaccionador por accidente, mientras estudiaban un problema diferente.

El dióxido de vanadio es un ejemplo clásico de material fuertemente correlacionado, es decir, el comportamiento de cada electrón está indisolublemente ligado al de los electrones vecinos. Los comportamientos electrónicos exóticos que resultan de esto han hecho que ek dióxido de vanadio sea objeto de escrutinio científico durante décadas, gran parte de éste centrado en un inusual par de transiciones de fase.

Cuando se calienta a más de 67 grados Celsius, el dióxido de vanadio se transforma de un aislador a un metal, proceso que es acompañado de una transición de fase estructural que encoge el material en una dimensión mientras que lo expande en las otras dos. Durante décadas los investigadores han discutido si una de estas transiciones de fase impulsa la otra o si son fenómenos separados, que casualmente se producen a la misma temperatura.

Wu dilucidó esta cuestión en el trabajo anterior publicado en Physical Review Letters, en el que él y sus colegas aislaron las dos transiciones de fase en nanocables de dióxido de vanadio de un solo cristal y demostraron que son separables, y se pueden manejar de forma independiente. Sin embargo, el equipo se encontró con dificultades en los experimentos cuando los nanocables se separaban de sus electrodo de contacto durante la transición de fase estructural.

“En la transición, el cable se reduce de 100 micras de longitud a aproximadamente 1 micra, lo cual fácilmente puede romper el contacto”, dice Wu, quien tiene una doble posición como profesor en el departamento de la Universidad de Berkeley de Ciencias de los Materiales y de Ingeniería. “Así que empezamos a hacernos la pregunta: esto es malo, pero ¿podemos sacar algo bueno de esto? Y el actuador fue la aplicación natural”.

Para tomar ventaja de la contracción, los investigadores fabricaron una tira de dióxido de vanadio con una capa metálica de cromo en la parte superior. Cuando la tira se calienta por medio de una pequeña corriente eléctrica o un rayo de luz láser, se contrae el dióxido de vanadio y curva toda la tira como si fuese un dedo.


IMAGEN: Un pulso de luz láser puede inducir la flexión
del microaccionador. En esta imagen de microscopio, una
matriz similar a una palma con actuadores se flexionan de
uno en uno (panel superior) o todos juntos. El panel inferior
muestra los dedos que se doblan individualmente bajo el
agua; una capacidad que hace que el dispositivo sea
adecuado para aplicaciones biológicas.

“El desplazamiento de nuestro microaccionador es enorme”, dice Wu, “decenas de micras para una longitud del actuador en el mismo orden de magnitud; mucho más grande de lo que se puede lograr con un dispositivo piezoeléctrico; y al mismo tiempo con una fuerza muy grande. Tengo gran optimismo de que esta tecnología será competitiva con la tecnología piezoeléctrica, y puede incluso reemplazarla.”

Los actuadores piezoeléctricos son el estándar de la industria del accionamiento mecánico a escalas micro, pero son complicados de hacer, necesitan voltajes grandes para pequeños desplazamientos, y suelen incluir materiales tóxicos, como el plomo. “Sin embargo, nuestro dispositivo es muy simple, el material no es tóxico, y el desplazamiento es mucho más grande con un voltaje de excitación mucho menor”, dice Wu. “¡Se puede ver que se mueven con un microscopio óptico! Además, funciona igual de bien en el agua, por lo que es adecuado para aplicaciones biológicas y de microfluidos.”

Los investigadores prevén usar los microactuadores como pequeñas bombas para la administración de fármacos, o como músculos mecánicos en robots a microescala. En estas aplicaciones, la excepcionalmente alta densidad de trabajo del actuador —es decir, la potencia que puede entregar por unidad de volumen— ofrece una gran ventaja. Gramo por gramo, los actuadores de dióxido de vanadio entregan una fuerza de tres órdenes de magnitud mayor que un músculo humano. Wu y sus colegas ya se han asociado el Centro de Actuadores y Sensores de Berkeley para integrar sus actuadores en dispositivos para aplicaciones tales como robots de detección de radiación en ambientes peligrosos.

El próximo objetivo del equipo es crear un actuador de torsión, que es una propuesta mucho más difícil. Wu explica: “los actuadores de torsión suelen incluir un complicado diseño de engranajes, ejes y/o correas, etc, así que la miniaturización es un reto; pero aquí vemos que con sólo una capa de película fina también podríamos hacer un actuador de torsión muy simple.”

El artículo de Nano Letters tuvo como coautores a Kai Liu, Chun Cheng, Zhenting Cheng, Kevin Wang y Ramamoorthy Ramesh. Los trabajos anteriores de Wu en la separación de las transiciones de fase del dióxido de vanadio aparecen en Physical Review Letters, titulados “Decoupling of Structural and Electronic Phase Transitions in VO2”, y tiene como coautores a Zhensheng Tao, Tzong-Ru T. Han, Subhendra D. Mahanti, Phillip M. Duxbury, Fei Yuan, and Chong-Yu Ruan y Kevin Wang.

Giant-Amplitude, High-Work Density Microactuators with Phase Transition Activated Nanolayer Bimorphs“.
Decoupling of Structural and Electronic Phase Transitions in VO2“.

Esta investigación fue financiada en parte por la Oficina de Ciencia del DOE, la teoría y la investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencia.

Fuente: EurekAlert. Aportado por Eduardo J. Carletti

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