Baughmans Labor erzeugt winzige künstliche Muskeln. Sie spinnen Kohlenstoffnanoröhrchen zu Garn, das fester als Stahl ist und dennoch so leicht ist, dass es fast in der Luft schwebt.
Die Natur entwickelt ihre Technologien seit vielen hundert Millionen Jahren, sagte Ray Baughman. „Wenn wir uns ansehen, wie die Natur Probleme wie Muskeln gelöst hat, können wir unsere eigenen Technologien weiterentwickeln.“ Baughman ist Direktor des NanoTech-Instituts an der Universität von Texas in Dallas. In seinem Labor werden sehr kleine künstliche Muskeln erzeugt, indem Filamente aus unsichtbar kleinen Kohlenstoffnanoröhren zu einem außergewöhnlichen Garn gesponnen werden. Pfund für Pfund ist dieses Nanogarn stärker als Stahl - und doch so leicht, dass es fast in der Luft schwebt. Dieses Interview ist Teil einer speziellen EarthSky-Reihe, Biomimicry: Nature of Innovation, die in Zusammenarbeit mit Fast Company erstellt und von Dow gesponsert wurde. Baughman sprach mit Jorge Salazar von EarthSky.
Was halten Sie von Biomimikry? Wie können wir lernen, mit den Methoden der Natur menschliche Probleme zu lösen?
Wir können dies auf verschiedene Arten tun. Wir können versuchen, genau nachzuahmen, was die Natur tut, oder sie so nah wie möglich nachzuahmen. Dies wird als Biomimikry-Ansatz bezeichnet. Wir können auch so genannte Bioinspiration verwenden. Wir können uns ansehen, was die Natur tut, was wir mit unseren Technologien tun können, und versuchen, sie zusammenzuführen, um ein Ergebnis zu erzielen, das manchmal sogar besser ist als die Natur.
Erzählen Sie uns von den künstlichen Muskeln, die Sie entwickeln. Wie inspirieren die natürlichen Muskeln des Körpers dieses Ergebnis?
Die Muskeln in unserem Körper ziehen sich zusammen, um Arbeit zu leisten. Und die Muskeln zum Beispiel in den Gliedmaßen eines Oktopus ziehen sich zusammen. Infolge dieser Kontraktion sorgen sie jedoch für eine Rotation. Ebenso die Muskeln im Rüssel eines Elefanten. Sie sind spiralförmig gewickelt, sodass sich der Elefantenrüssel um eine Drehung dreht, wenn sich diese Muskeln zusammenziehen. Mithilfe der Nanotechnologie haben wir künstliche Muskeln entwickelt, die sich pro Länge 1.000 Mal stärker drehen können als die Muskeln eines Oktopus oder eines Elefantenrüssels. Diese Muskeln basieren auf Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren.
Eine Kohlenstoffnanoröhre ist ein kleiner Zylinder aus Kohlenstoff, der ein Zehntausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares betragen kann. Diese Garne können möglicherweise kleiner als ein Zehntel des Durchmessers des menschlichen Haares sein. Diese Garne werden jedoch gesponnen, indem die einzelnen Kohlenstoffnanoröhren zusammengedreht werden.
Wie funktionieren diese Kohlenstoffnanoröhrchen-Torsionsmuskeln?
Sie funktionieren auf eine Art und Weise, wie sich ein Oktopus dreht, und auf die gleiche Art und Weise, wie bestimmte Pflanzen der Sonne folgen können. Denken Sie daran, dass diese künstlichen Torsionsmuskeln Motoren liefern, die extrem einfach sind. Sie haben ein Kohlenstoffnanoröhrchengarn und eine Gegenelektrode, und Sie legen Spannung zwischen ihnen an. Wenn Sie eine Spannung zwischen dem Kohlenstoffnanoröhrchengarn und dieser anderen Elektrode anlegen, injizieren Sie elektronische Ladung in das Kohlenstoffnanoröhrchen. Um diese elektronische Ladung auszugleichen, wandern Ionen aus den Elektrolyten - denken Sie daran, dies ist nur eine Salzlösung - in das Garn. Wenn diese Ionen in das Garn wandern, bewirken sie, dass sich das Garn ausdehnt.
Erzählen Sie uns etwas über das Design der künstlichen Muskeln. Wie macht man einen künstlichen Muskel?
Wir starten aus einem Wald von Kohlenstoffnanoröhren. Eine Kohlenstoffnanoröhre ist ein Zylinder aus Kohlenstoff in Nanogröße. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, was die Nanoskala ist: Ein Nanometer im Vergleich zur Länge eines Meters ist das Verhältnis des Durchmessers eines Marmors zum Durchmesser dieser Welt. In Kohlenstoffnanoröhrenwäldern sind diese Kohlenstoffnanoröhren mit extrem kleinem Durchmesser wie Bambusbäume in einem Bambuswald angeordnet. Wenn Sie einen Bambusbaum mit einem Durchmesser von 2 Zoll skalieren würden und er das gleiche Verhältnis von Höhe zu Durchmesser wie die von uns verwendeten Kohlenstoffnanoröhren hätte, wäre der Bambusbaum eineinhalb Meilen groß.
Wir ziehen diese Kohlenstoffnanoröhren auf sehr einfache Weise aus dem Kohlenstoffnanoröhrenwald. Zum Beispiel können wir Post-It-Zettel wie die von 3M hergestellte nehmen, die eine selbstklebende Rückseite haben. Wir befestigen diese Klebeschicht an der Seitenwand dieses Kohlenstoffnanoröhrenwaldes und zeichnen. Und wir erhalten ein Blatt Kohlenstoffnanoröhren.
Dieses Blatt aus Kohlenstoffnanoröhren ist wirklich ein bemerkenswerter Materiezustand. Es hat eine Dichte, die in etwa der von Luft entspricht. Wir können es in der Tat mit einer Dichte herstellen, die zehnmal niedriger ist als die von Luft und zehnmal niedriger als die Dichte von Material, das selbsttragend ist und zuvor von der Menschheit hergestellt wurde. Trotz dieser sehr geringen Dichte - mit anderen Worten Gewicht pro Volumeneinheit - sind diese Kohlenstoff-Nanoröhren-Platten auf Pfund-pro-Pfund-Basis fester als der stärkste Stahl und fester als die Polymere, die für ultraleichte Luftfahrzeuge verwendet werden. Die Dicke dieser Platten ist im verdichteten Zustand so gering, dass 4 Unzen dieser Kohlenstoffnanoröhrenplatten einen Hektar Land bedecken können.
Um unsere Kohlenstoffnanoröhrchengarne herzustellen, die wir für unsere künstlichen Muskeln verwenden, fügen wir Drehungen in diese Kohlenstoffnanoröhrchenplatten ein, wenn wir sie aus einem Kohlenstoffnanoröhrchenwald ziehen. Durch das Einfügen von Wendungen reduzieren wir im Grunde genommen eine Technologie, die der Mensch seit mindestens 10.000 Jahren praktiziert. Durch das Verdrillen von Naturfasern konnten frühe Menschen Kleidung herstellen, um sie warm zu halten. Wir praktizieren dieselbe Technologie mit Fasern in Nanogröße. Wir verwenden diese gedrehten Kohlenstoffnanoröhrenfasern, um unsere künstlichen Muskeln herzustellen.
Wie werden diese künstlichen Muskeln, die Sie im Labor entwickeln, in der realen Welt eingesetzt?
Derzeit stellen wir Prototypen her, bei denen wir diese Kohlenstoffnanoröhrengarne mit sehr kleinem Durchmesser zum Drehen von Paddeln in sogenannten Mikrofluidik-Chips verwendeten. Technologen wollen die Synthese von Chemikalien und die Analyse von Chemikalien auf die gleiche Weise verkleinern, wie es Technologen gelungen sind, die Abmessungen elektronischer Schaltkreise zu verkleinern. Ein Hauptproblem war jedoch, dass diese mikrofluidischen Kreisläufe Pumpen erfordern. Die Größe der Pumpen, die die Leute zur Verfügung hatten, ist viel größer als die Größe der Chips, die sie herstellen konnten. Sie hatten eine Inkompatibilität. Sie haben einen kleinen Chip, eine große Pumpe. Warum ist es also von Vorteil, wenn der Chip so klein ist? Mit unseren künstlichen Torsionsmuskeln aus Kohlenstoffnanoröhren können wir Pumpen herstellen, die ähnlich dimensioniert sind wie die Chips - natürlich viel kleiner als die Abmessungen des gesamten Chips. Wir können Ventile herstellen, wir können Mischer herstellen, die sehr kleine Abmessungen haben.
Unsere künstlichen Carbon Nanotube-Torsionsmuskeln können Paddel drehen, die mehrere tausend Mal schwerer sind als die Masse des künstlichen Muskelgarns. Sie können eine sehr große Arbeitsleistung erbringen. Sie können sehr große Kräfte erzeugen, was für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen wichtig ist. Jetzt können wir darüber sprechen, was wir heute tun können, und zwar mithilfe unserer künstlichen Torsionsmuskeln für Mikrofluidik-Chips. Aber was in Zukunft möglich ist, könnte noch spannender sein.
In der Natur sehen wir, wie Spermien und Bakterien von korkenzieherförmigen Vorrichtungen an ihren hinteren Enden angetrieben werden. Wissenschaftler stellen sich vor, in Zukunft nanoskalige Roboter zu haben, die in den menschlichen Körper injiziert werden könnten und sich bei Reparaturen durch den menschlichen Körper bewegen können. Vielleicht helfen unsere künstlichen Torsionsmuskeln, diese Zukunft zu ermöglichen.