Asymetria napędza cały mechanizm
Cały proces opiera się na naturalnej nierównomierności powierzchni włókna. Naukowcy umieścili je w specjalnym ogniwie elektrochemicznym. Gdy przyłożono napięcie przekraczające 2 V, jony z otaczającego płynu zaczęły wnikać w strukturę włókna w nierówny sposób. Po jednej stronie zachodziło utlenianie węgla, a po drugiej redukcja związku chemicznego. Ta lokalna różnica w reakcjach chemicznych skutkuje mechanicznym wygięciem całego włókna. Co ciekawe, włókna o idealnie gładkiej powierzchni pozostają w bezruchu, co potwierdza, że to właśnie chropowatość jest motorem napędowym.
Czytaj też: Frustracja w materiałach kwantowych czyni cuda. Jej efekt wychodzi daleko poza ściany laboratorium
Całkowite odkształcenie wynosi około 0,55 milimetra przy napięciu od 2 do 3 woltów. W mikroświecie to naprawdę spory ruch. Powyżej 3 V proces zakłócają pęcherzyki tlenu. Pomiary wykonane mikroskopem sił atomowych ujawniły subtelne zmiany w chropowatości powierzchni: wzrosła ona zaledwie o 0,05 nanometra. Pokazuje to, jak nieznaczne modyfikacje na poziomie atomów mogą przełożyć się na wyraźny ruch w skali makro. Co istotne, efekt jest w pełni odwracalny, ponieważ zmiana lub usunięcie napięcia powoduje powrót włókna do pierwotnego kształtu. Dzięki cyklicznym impulsom można uzyskać powtarzalne ruchy w górę i w dół.
Mikroszczypce w akcji
Badacze postanowili pokazać potencjalne zastosowanie swojej metody. Aktywowali jednocześnie dwa ustawione naprzeciw siebie włókna. Pod wpływem zmieniającego się napięcia zbliżały się one do siebie, aż w końcu się stykały, działając jak miniaturowe szczypce. Ten prosty układ mógłby posłużyć jako narzędzie do manipulacji mikroskopijnymi obiektami. Eksperyment ten jest pierwszym dowodem, że niepotrzebne są skomplikowane modyfikacje, by kontrolować ruch włókien węglowych za pomocą reakcji elektrochemicznych.
Czytaj też: Dziwaczny stan materii w grafenie. Kwantowa magia doprowadziła do przejścia nadciekłości w nadstałość
Możliwości praktycznego wykorzystania tego postępu wydają się szerokie, choć na razie mówimy o wczesnym etapie badań. Takie włókna mogłyby pełnić funkcję syntetycznych mięśni w mikroskopijnych robotach, pozwalając na precyzyjne ruchy. W systemach mikroelektromechanicznych (MEMS) sprawdziłyby się jako miniaturowe elementy wykonawcze. W medycynie otwiera to drogę do tworzenia narzędzi do mikrochirurgii lub precyzyjnego dostarczania leków, bez konieczności przeciągania przez organizm kabli sterujących.
