Đã kiểm soát được việc co cuộn của bó cơ nhân tạo dưới hình thức graphene

Các kỹ sư Đại học Duke đang tiến hành cấy ghép một mảng lưới carbon nguyên tử với nhựa polymer  để tạo ra các nguyên liệu thống nhất với các ứng dụng rất đa dạng, bao gồm cả các cơ nhân tạo.

Loại lưới nêu trên được biết như graphene, được tạo ra từ carbon nguyên chất và xuất hiện dưới bản sao phóng đại như khung lưới thép mỏng. Graphene là tấm phẳng dày bằng một lớp nguyên tử của các nguyên tử carbon với liên kết sp2 tạo thành dàn tinh thể hình tổ ong. Tên gọi của nó được ghép từ “graphit” (than chì) và hậu tố “-en” (tiếng Anh là “-ene”); trong đó chính than chì là do nhiều tấm graphen ghép lại.

Bởi vì mang đặc tính quang học, điện và cơ khí, graphene được sử dụng trong các nguyên liệu điện tử, lưu trữ năng lượng, nguyên liệu hỗn hợp và ngành ứng dụng sinh học và sinh lý học vào y học lâm sàng (y sinh).

Tuy nhiên, rất khó xử lý graphene trong trạng thái “bị co cuộn”, mà, phụ thuộc vào từng trường hợp, có thể mang đặc tính tích cực hoặc tiêu cực. Rất tiếc là hiện nay các nhà khoa học vẫn chưa kiểm soát được việc co cuộn và dàn trải graphene trên diện tích rộng để tận dụng các lợi thế của các tài nguyên nêu trên.

Kỹ sư Xuanhe Zhao của Duck, một phó giáo sư tại Trường Pratt của Duke chuyên về kỹ thuật đã so sánh thách thức kiểm soát graphne đối với sự khác nhau giữa giấy cuộn và khăm giấy thấm nước.

“Nếu bạn vò một tờ giấy bình thường, bạn có thể dễ dàng trải mỏng nó”, Zhao nói. “Tuy nhiên, graphene lại giống như một chiếc khăn giấy thấm nước. Nó cực kỳ mỏng và dính và thật khó có thể trải ra, một khi đã được cuộn lại. Chúng ta đã phát triển một phương pháp giải quyết vấn đề này và kiểm soát sự cuộn và trải ra của nhứng phim graphene với diện tích lớn".

Những kỹ sư của Duck đã gắn graphene vào một phim cao su đã được dàn trải nhiều lần so với kích thước ban đầu của nó. Ngay khi phim cao su được duỗi một cách thoải mái, phần của graphene được tách ra từ cao su trong khi phầnk hác được gắn liền với phần cao su, tạo ra một dạng thức vừa gắn liền vừa tách biệt với kích thước của một vài phần tỷ của 1m. Khi cao su được thả lỏng, phần graphene tách rời bị dồn nén trở nên co cụm. Ngay khi phim cao su được kéo căng trở lại, phần graphene gắn liền sẽ kéo cho graphene co cụm được trải ra.

“Theo cách này, việc co cuộn và trải ra của graphene nguyên tử dầy với diện tích rộng có thể được kiểm soát bằng cách chỉ cần đơn giản thả lỏng một phim cao su, thậm chí chỉ bằng tay”, Zhao nói.

"Phương pháp của chúng tôi đã mở ra cánh cửa để khám phá những đặc tính, tài nguyên và chức năng chưa từng thấy của graphene”, Jianfeng Zang, một đồng nghiệp sau tiến sỹ trong nhóm của Zhao và cugnx là tác giả đầu tiên của công trình này nói. “Ví dụ, chúng ta có thể chuyển graphene từ trạng thái trong suốt sang mờ đục bằng cách cuộn nó lại, và chuyển ngược lại chỉ bằng động tác trải nó ra".

Ngoài ra, các kỹ sư của Duke còn bố trí graphene với những phim polymer khác nhau để tạo ra một nguyên liệu “mềm” có thể đóng vai trò như các khăn giấy bắp cơ bằng cách co rút và trải rộng theo yêu cầu. Khi sử dụng điện đối với grapheme, bó cơ nhân tạo mở rộng diện tích; khi cắt điện, nó thả lỏng. Kiểm soát bằng hiệu điện thế khác nhau thì mức độ co rút và thả lỏng là khác nhau, mang lại sức căng trên 100%.

"Các bó cơ nhân tạo giúp cho nhiều ngành công nghệ khác nhau, từ việc chế tạo người máy và giao thuốc cho tới gặt hái và lưu kho". Zhao nói. “Đặc biệt, chúng hứa hẹn sự cải tiến đáng kinh ngạc đối với chất lượng cuộc sống của hàng triệu người tàn tật bằng cách cung cấp các thiết bị hỗ trợ giá cả phải chăng như tay và chân giả và hệ thống chữ nổi dành cho người khiếm thị. Ảnh hưởng mở rộng của các bó cơ nhân tạo mới này có thể ví như ảnh hưởng của các nguyên liệu áp điện đối với xã hội toàn cầu".

Công việc nghiên cứu của Zhao được Trung tâm nghiên cứu khoa học và kỹ thuật nguyên vật liệu tam giác thuộc Quỹ Khoa học Quốc gia (NSF), chương trình NSF Nguyên liệu và Kỹ thuật bề mặt, cùng Viện Sức khỏe Quốc gia tài trợ.