Kluczem do tej niezwykłej właściwości okazało się spojrzenie na dobrze znany materiał z zupełnie innej strony. Zamiast komplikować jego strukturę, naukowcy z Polskiej Akademii Nauk postawili na maksymalne uproszczenie. Choć na razie mówimy o eksperymencie laboratoryjnym, jego konsekwencje dla projektowania mikrourządzeń mogą być naprawdę interesujące.
Elektryczność zamiast kabli. Prosty mechanizm działania
Cała sztuka polega na wykorzystaniu naturalnej, chropowatej struktury włókna węglowego. Badacze wzięli zwykłe, niepowlekane włókna i umieścili je w specjalnej konfiguracji zwanej ogniwem bipolarnym. Gdy przyłożono do układu napięcie rzędu 2-3 woltów, jony z otaczającej cieczy zaczęły wnikać w materiał. Nie dzieje się to jednak równomiernie – z powodu nierównomiernego rozkładu mikroporów po jednej stronie włókna dominuje utlenianie, a po drugiej redukcja.
Czytaj także: Chiny znowu przed konkurencją! Pierwszy taki pociąg na świecie
To asymetryczne wchłanianie jonów generuje wewnętrzne naprężenia, które powodują zgięcie włókna. Maksymalne zaobserwowane wychylenie sięgnęło 0,55 milimetra przy 3 woltach. Gdy napięcie zostaje odłączone, jony opuszczają materiał, a włókno wraca do pierwotnego, prostego kształtu. Cały proces jest w pełni odwracalny i powtarzalny przez wiele cykli, co jest podstawą do potencjalnego praktycznego zastosowania.
Bezprzewodowe mikropęsety. Praktyczna demonstracja
Najciekawszy aspekt tego odkrycia to fakt, że włókno nie musi być fizycznie połączone przewodami z źródłem prądu. Jak wyjaśnia Wojciech Nogala z zespołu badawczego, „zamknięte ogniwo bipolarne umożliwia jednoczesne reakcje na obu końcach włókna, co pozwala na bezprzewodową aktywację”.
Naukowcy nie poprzestali na teorii i zademonstrowali działające narzędzie. Używając dwóch równolegle ułożonych włókien skierowanych w przeciwnych kierunkach, stworzyli mikroskopijne pęsety. Poprzez precyzyjną kontrolę czasu trwania i natężenia impulsu napięciowego byli w stanie wielokrotnie otwierać i zamykać to miniaturowe chwytaki. To pokazuje, jak proste, fabrycznie produkowane włókna mogą pełnić funkcję mikroskopijnych siłowników bez potrzeby ich skomplikowanej modyfikacji, co otwiera drogę do tańszej i prostszej produkcji.
Od koncepcji do zastosowań. Potencjał i wyzwania
Badanie, które ukazało się w „Nature Communications”, jest na razie dowodem koncepcji. Jego implikacje są jednak szerokie. Tego typu „inteligentne” włókna mogłyby posłużyć jako syntetyczne mięśnie dla mikrorobotów, elementy mikroelektromechanicznych systemów lub precyzyjne narzędzia do manipulacji w skali mikro. W medycynie można sobie wyobrazić miniaturowe instrumenty chirurgiczne pracujące wewnątrz naczyń krwionośnych, a w inżynierii – delikatne manipulatory do montażu mikroskopijnych elementów elektronicznych.
Czytaj także: Chińscy naukowcy stworzyli zaskakujące urządzenie. Dron z tego materiału zszedł na dno oceanu
Możliwości wydają się ograniczone głównie wyobraźnią inżynierów, jednak warto zachować zdrowy rozsądek. Droga od laboratoryjnego eksperymentu do gotowego, niezawodnego produktu jest zwykle długa i usiana wyzwaniami. Mimo to polski zespół pokazał coś ważnego: czasem przełomowe rozwiązania kryją się w maksymalnej prostocie i umiejętnym wykorzystaniu naturalnych właściwości materiałów, które mamy pod ręką. To podejście może w przyszłości zaowocować nową generacją mikroskopijnych urządzeń działających w świecie komórek i tkanek.