Wprawianie w ruch włókien węglowych za pomocą prądu elektrycznego

Kontrolowanie kształtu włókien cieńszych niż średnica ludzkiego włosa stanowi ogromne wyzwanie. Mimo dynamicznego rozwoju technologii, precyzyjna i odwracalna zmiana orientacji mikrowłókien w taki sposób, aby mogły działać jak pęseta, wciąż nie jest łatwym zadaniem.  Interdyscyplinarny zespół naukowców z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk opracował jednak metodę sterowania kształtem mikrowłókien za pomocą napięcia elektrycznego. W najnowszej pracy, opublikowanej w czasopiśmie Nature Communications, badacze po raz pierwszy zaprezentowali kontrolowany ruch włókien węglowych, wywoływany procesami elektrochemicznymi zachodzącymi asymetrycznie w materiale. Osiągnięcie to przybliża nas do opracowania nowatorskich rozwiązań w mikromechanice i robotyce.

Jeszcze kilkadziesiąt lat temu opracowanie technologii umożliwiającej kontrolowaną produkcję włókien o przekroju znacznie mniejszym niż średnica ludzkiego włosa stanowiło wyzwanie. Jednak od czasu opracowania technik badawczych umożliwiających obserwację obiektów w nanoskali postęp miniaturyzacji przyspieszył, co zaowocowało opracowaniem wielu metod produkcji mikrowłókien, a nawet nanowłókien z wielu materiałów. Inżynieria materiałowa i rozwój technologiczny zaowocowały łatwym wytwarzaniem wielu „inteligentnych” materiałów, które mogą zmieniać swoje właściwości na żądanie w odpowiedzi na bodźce zewnętrzne. Inteligentne polimery mogą reagować na różne bodźce, takie jak elektryczność, światło, wzrost temperatury, pH roztworu itp., powodując zmiany właściwości fizykochemicznych, takich jak kolor, kształt i wiele innych. Dzięki temu stały się one przydatne w wielu dziedzinach, takich jak wytwarzanie czujników, tekstyliów i w zastosowaniach medycznych. Inteligentne materiały można zaprojektować tak, aby reagowały tylko na określone bodźce w kontrolowany sposób, powracając do stanu początkowego, gdy bodziec zanika. W przypadku włókien podjęto wiele wysiłków, aby uzyskać materiały o pożądanym kształcie i rozmiarze, które można wykorzystać np. w sztucznych mięśniach reagujących na sygnały elektryczne, w dostarczaniu leków w określonych warunkach pH lub temperatury, w mikroelektromechanicznych systemach generujących ruch w wyniku reakcji elektrochemicznych, w urządzeniach fotoelektrochemicznych poddanych działaniu fal elektromagnetycznych o określonej długości fali itp. Niemniej jednak w wielu przypadkach mikrowłókna lub nanowłókna wymagają specjalnych powłok lub modyfikacji swojej struktury, aby reagowały na bodźce w kontrolowany sposób, co utrudnia ich produkcję. Co więcej, kontrolowanie ruchu włókien nadal wymaga wielu prac i opracowania nowych rozwiązań.

Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF) w Warszawie, pod kierownictwem dr Wojciecha Nogali, w ramach międzynarodowej współpracy dokonali przełomu w precyzyjnej kontroli włókien węglowych, odpowiadając na wyzwania związane ze sterowaniem materiałami za pomocą elektryczności. W swoich pracach pokazali, że włókna węglowe mogą działać jak zminiaturyzowane siłowniki, które zmieniają kształt na żądanie za pomocą procesów elektrochemicznych. Dlaczego właśnie włókna węglowe? Są one dobrze znane ze swoich niezwykłych właściwości mechanicznych. Dodatkowo, są nie tylko znacznie mocniejsze, ale także znacznie lżejsze niż stal lub aluminium, dzięki czemu są szeroko stosowane jako wzmocnienie w kompozytach, a także ze względu na swoje wyjątkowe właściwości elektryczne.

Kluczową ideą zaprezentowaną przez zespół z IChF jest umieszczenie pojedynczego włókna węglowego o mikroskopijnej średnicy w układzie elektrochemicznym, a konkretnie w ogniwie bipolarnym, które od lat 70. ubiegłego wieku jest stosowane w biosensorach, reaktorach elektrochemicznych i bateriach. Naukowcy zbadali dwa rodzaje włókien węglowych, których przekroje okazały się symetryczne lub niesymetryczne. Okazało się, że te asymetryczne odkształcają się z powodu wypełniania porów  jonami Li+ i ClO4- z elektrolitu podstawowego , które są przyciągane do powierzchni włókna pod wpływem przyłożonego napięcia.

Co ciekawe, w przypadku niezmodyfikowanych włókien zaobserwowano asymetrię w rozkładzie porów, co spowodowało inną reakcję materiału w porównaniu z włóknami symetrycznymi. Ponieważ proces wprowadzania jonów przebiega niesymetrycznie, włókno wygina się pod wpływem przyłożonego napięcia, a jego spadek prowadzi do powrotu do pozycji wyjściowej włókna. Takie wyprostowanie jest efektem wypierania jonów z powierzchni włókien. Innymi słowy, jony zaczynają przemieszczać się do i z włókna węglowego pod wpływem przyłożonego napięcia, wywołując ruch włókna w określonym kierunku. Co ważne, ruch ten jest odwracalny.

Dr Wojciech Nogala mówi: „Udało nam się wykorzystać układ bipolarny do bezprzewodowego wprawiania w ruch włókna węglowego za pomocą zachodzących na jego powierzchni procesów elektrodowych. Nierównomierna podwójna warstwa elektryczna jest możliwa dzięki naturalnej asymetrycznej konfiguracji porów w włóknie, która jest jednym z podstawowych czynników umożliwiających poruszanie włóknem za pomocą sygnałów elektrycznych. Prowadzi to do asymetrycznego naprężenia i skurczu włókna. Jednoczesne reakcje utleniania i redukcji w dwóch komorach ogniwa bipolarnego umożliwiają bezprzewodowe sterowanie”.

„Nasze odkrycia mogą otworzyć możliwości konstrukcji siłowników opartych na prefabrykowanych asymetrycznych włóknach węglowych” – zauważa dr Nogala.

Pomimo braku bezpośredniego połączenia elektrycznego z włóknami w proponowanej konfiguracji mogą zachodzić procesy elektrochemiczne takie jak utlenianie na jednym końcu i redukcja na drugim końcu włókna. Wielkość ruchu zależy zarówno od przyłożonego napięcia, jak i długości włókna. Impulsy mogą być również stosowane w cyklach, w których zmiana napięcia i czas trwania każdego impulsu powodują, że włókna wielokrotnie poruszają się w jedną i drugą stronę, działając jak mikroskopijna pęseta. Proponowany system może być stosowany nie tylko w przypadku pojedynczego włókna, ale także w mikrosiłownikach, które mogą być wykorzystywane w zminiaturyzowanych urządzeniach. Jest to potrzebne w syntetycznych mięśniach, mikrorobotyce oraz w kontrolowaniu ruchu materiałów w bardzo małej skali.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki (NCN) w Polsce w ramach grantu 2022/46/E/ST4/00457.

KONTAKT:

Wojciech Nogala

Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk

e-mail: wnogala@ichf.edu.pl

ARTYKUŁ:

„Bipolar electrochemical tweezers using pristine carbon fibers with intrinsically asymmetric features”  

Bhavana Gupta, Vishal Shrivastav, Shashank Sundriyal, Ambrose Ashwin Melvin, Marcin Holdynski, Alexander Kuhn, Wojciech Nogala

Nature Communications 16, 10061 (2025).

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-65036-z