具有新奇电动响应性能的碳纳米管纤维

近年来,能够把电能直接转化为机械能的材料被广泛研究,其中包括铁电材料、导电高分子和高分子凝胶等。但是这些材料都有一定的局限性,例如:需要施加很高的电压电场,材料需要在特定的介质中使用,材料不能产生旋转力,材料的循环寿命和能量密度也普遍较低。

碳纳米管具有新奇的化学结构和出色的电学性能,同时也是目前已知的力学强度最大的人造材料。为了更方便的使用碳纳米管,人们把碳纳米管直接纺成宏观的碳纳米管纤维。这种纤维由高取向度、螺旋排列的碳纳米管组成,具有很高的力学强度和电导率。

最近,复旦大学高分子科学系彭慧胜教授课题组研究发现,在给螺旋取向的碳纳米管纤维施加一个几毫安的电流时,这种碳纳米管纤维会产生轴向的收缩和径向的转动,其中轴向收缩率最高可达2 %,径向转动角度最大可达360度。这种碳纳米管纤维制备方法简单,通电响应时间小于0.4秒,能量密度大于430 kJ/m3。产生的电动响应强度是自然肌肉的100倍,并可以稳定循环响应103次以上。更为可喜的是,这种碳纳米管纤维在多种介质中都具有上述电动响应,例如空气、水、有机溶剂和电解质溶液。研究发现,电动响应强度的大小与电流大小的二次方呈线性关系。利用螺旋取向的碳纳米管纤维制备的转动马达,可以带动超过自身重量75倍的、摆长大于自身半径1000倍的物体转动。如将这种材料与多种具有导电特性的材料组合,可在人造肌肉、电动马达以及机械工程方面展现出广泛的应用前景。该研究工作发表在Advanced Materials 期刊上