CZ2005828A3

CZ2005828A3 - Elektromechanický menic

Info

Publication number: CZ2005828A3
Application number: CZ20050828A
Authority: CZ
Inventors: Bouda@Václav
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2005-12-30
Publication date: 2007-07-11
Also published as: WO2007076732A3; US20090179520A1; CZ307391B6; EP2002535A2; EA200801609A1; WO2007076732A2; EP2002535B1; EA013443B1; JP2009522115A; US7994685B2; JP5380076B2

Abstract

Funkce elektromechanického menice aktuátoru je zalozena na zmenách interakcí mezi nanocásticemi s optimalizovanou kombinací rozmeru, materiálu, vnitrní struktury materiálu, nejvetsího mozného vzájemného priblízení a provozní teploty, umoznující pri jejich priblízení dosáhnout maximálního poklesu objemové hustoty energie systému, který vytvárejí. Pokles celkové vnitrní energie je v nanoaktuátoru vyuzíván pro vykonávání vnejsí práce prostrednictvím prevodního systému, sestávajícího z alespon jednoho elektricky vodivého polymerního vlákna o prumeru 5 az 15nm spojeného s vodivým diskem. Okolo elektricky vodivého polymerního vlákna jsou na závesných vláknech o prumeru 1 az 5nm umísteny alespon tri kulovité nanocástice o polomeru 5 az 20 nm, které jsou uchyceny na závesných vláknech o prumeru 1az 5 nm, zakotvené ve svazku vláken o prumeru 5 -20 nm. Polymerní vlákno je pripojeno k alespon jednomu elektricky vodivému disku a je strídave obklopováno vrstvou kladných iontu, dodávaných v elektrickém poli ze zásobníku v okolí vodivého disku.

Description

Elektromechanický měnič.

Oblast techniky

Vynález se týká elektromechanického měniče, tj . nannaktuátoru - zařízení pro přeměnu elektrické energie na mechanickou práci, která se vykoná kombinací vzniklé síly a posunu.

Dos a v a dní stav techniky

Z technické praxe jsou známy elektromechanické měniče, což Osmu zařízení pro přeměnu elektrické energie na mechanickou práci. Mechanická práce se vykoná určitou kombinací vzniklé smly a posunu. Typickým příkladem je aktuátor, používaný v mikroelektronice. Aktuátor je akční článek ovládacího obvodu mi: elektronickou a procesní částí. Vstup aktuátoru by měl byt ovládán relativně nízkým elektrickým napětím nebo proudem jaké je obvyklé v mikroelektronice. To umožňuje splnit i požadavek omezení elektrických a magnetických polí, která mohou rušit okolí mikrosystému a dalších připojených částí. Malá napětí a proudy musí přesto vyvolávat co největší mechanické síly a posuny. Nejdůležitějším cílem v této oblasti .ic prcko konstrukce malých ale výkonných aktuátorů ovládaných nízkým napětím a proudem.

Pouhé zmenšování principiálně stejných konstrukci má mezené možnosti a je ve své podstatě chybné. Pouze využití ruvých principů, technologií a materiálů vede k řešení problému. Základní příklady těchto využívaných v současné technické praxi a jejich rurametrú poskytuje Tab.l.

zásadnímu principů, funkčních

-2 ·

i. Přibližné porovnáni funkčních parametrů nejčastěji učívaných aktuátorů v současné technické praxi.

P r inc íp	Maxim. deformace (%)	Řídící el. napětí (V)	Účin- nost (%)	Min. čas reakce (s}	Max. mech. napětí (MPa)	Pozn.
Eloktro- strikce,	0,3	100	1	10'	40	Křehké
Magneto- st rikce	0,3	10	1	10 ⁶	40	Křehké
M. itiny s tvarovou náměti	10	10	1	1	700	Omezená život - nost
Elekt roakt i vní polymery	10	1	1	10¹	1	Flexibilní

Elektroaktivní polymery jsou jedním z nejperspektivnějších mar.eriálů pro nové aktuátory, které jsou schopny odstraňovat Mávni nevýhody předcházejících typů, jako je jejich poměrně malá deformace, rychlost reakce polymery jsou vysoké řídící napětí, nízká nebo malé přestavné síly. polovodiče, jejichž účinnost, malá

Elektroaktivní může být ve formě být měněna vodivost overzibílně měněna stupněm dopování příměsí bjemných iontů. Koncentrace iontů příměsí může přiloženým elektrickým polem, ve kterém se ionty pohybují oocnitř nebo ven z objemu polymeru (elektro-chemická transformace energie). Změna koncentrace iontů vyvolává šlemovou změnu polymeru, kterou lze technicky využít v aktuátorech. Příměsy mohou být do vodivých polymerů na medii od křemíku do polymeru zaváděny a odváděny podstatně vomzěji a reverzibílně díky volnému objemu, který je k dispozici podél makromolekulárních řetězců. Na rozdíl od anorganických polovodičů je dále hladina nasycené koncentrace velmi vysoká. Objemovou změnu přitom nevyvolává pouhé vložení Ί Matečného objemu iontů ale též změna interakce mezi · n kulámimi řetězci a změny konformací makromolekul. Vyndané objemové změny současných aktuátorů pracujících na hone principu mohou být až několik procent původního objemu. Ve srovnání s ostatními materiály užívaných pro aktuátory, yiko je piezokeramika nebo magnetostrikční materiály, se jedná deformace podstatně větší.

Při aplikacích atně zvýšit íkovaného elektroaktivních polymerů se velikost přestavných sil mechanického napětí) a podstatně zatím nedaří (maximálního zkrátit dobu

-3.na úroveň elektrostrikčních nebo magnetostrikčních torů .

ícdstata vynálezu čatstatou vynálezu je optimalizované využití přitažlivých a ip-.jrii vých interakcí mezi nanočásticemi systému a mechanismus cí-zosu síly a deformace z tohoto systému nanočástic do vnějšího makroprostředí podle příkladu na Obr.9.

funkce systému nanočástic je založena na cyklické změně interakcí mezi nanočásticemi. Využívá se skutečnosti, že mezi r uiéčásticemi se při malých vzájemných vzdálenostech mimo kinetické energie jejich tepelného pohybu začíná významně uplatňovat i potenciální energie van der Waalsovy přitažlivé vazby, kterou lze technicky využít.

Mechanismus přenosu síly ze systému nanočástic sestává z alespoň jednoho polymerniho vlákna o průměru 5 až 15nm, spojeného s vodivým diskem. Okolo polymerniho vlákna jsou na závěsných vláknech o průměru 1 až 5 nm umístěny alespoň tři KiL-viré nanočástice o poloměru 5 až 20 nm, které jsou uchyceny na závěsných vláknech o průměru 1 až 5 nm, zakotvené ve svazku vláken o průměru 5 - 2 0 nm. Polymerní vlákno je připojeno k alespoň jednomu elektricky vodivému disku a je střídavě obklopováno vrstvou iontů např. s kladným nábojem, přičemž ionty jsou cyklicky přiváděny a odváděny z oblasti ^krajových disků, např. působením elektrického pole.

Ve výhodném provedení je alespoň jedna ze součásti pc.ymerní vlákno, závěsná vlákna nebo kulovité pevné částice uložena v kapalném prostředí. Vrstva iontů je s výhodou tvořena vícemocnými ionty. Ve výhodném provedení jsou kulovité útvary uspořádány do hexagonální mřížky a polymerní vlákno je l ·v oř e n o e1e kt r o a k t i vn ím po1yme r em.

Celková kontrakce základní buňky aktuátoru podle příkladu na Obr.9 je vyvolána sumací dílčích kontrakcí, ke které xceazi rychlým střídavým naklápěním nanočástic při vysoké koncentraci iontů v okolí polymerních vodivých vláken a vracením do původní polohy při jejich nízké koncentraci. Celkové uvolnění (prodloužení) základní buňky aktuátoru je vyvoláno trvalejším snížením koncentrace iontů v okolí polymerních vodivých vláken. Základní buňky aktuátoru mohou tyt pospojovány do sérií a/nebo paralelně k dosažení žádoucích výsledných posunů a/nebo přestavných sil.

Nový princip aktuátoru v předkládané přihlášce využívá .wt.ez elektroaktivních elektricky vodivých polymerů a změn <cccentrace iontů pro vyvolání jejich větší a rychlejší vatormace a silového působení. Elektricky vodivé polymery však

-4 v ptioadě tohoto nového principu neslouží jako expandující a : šú:jící se materiál, ale jako vlákna pro transport iontů,

-v -re se pohybují o mnoho řádů rychleji podél jejich povrchu ι-n při transportu difúzí do jejich vnitřku. Druhou rolí nuivýcvh polymerů je přenos síly a deformace ze systému nanočástic do vnějšího makroprostředí.

Dále je objasněn mechanismus dílčí kontrakce základní o,_u.ky.

V systému nanočástic se při malých vzdálenostech částic mimo kinetické energie jejich tepelného pohybu začíná významně uplatňovat i potenciální energie van der Waalsovy přitažlivé vazby. Při přiblížení dvou stejných kulovitých nanočástic o poloměru R (m) ze vzdálenosti jejich povrchů d - ⁰⁰ na vzdálenost d << R poklesne potenciální energie jejich van der Waalsovy přitažlivé vazby z nulové hodnoty na zápornou hodnotu

HR \2d (1) kdo H (J) je Hammakerova konstanta, vyjadřující vlastnosti m-D.eriálu částic a prostředí, ve kterém jsou uloženy.

Celková vnitřní energie E_x příslušná jedné částici je siadtem střední kinetické energie tepelného pohybu částice íl/2)kT a poloviny potenciální energie van der Waalsovy přitažlivé vazby, přičemž na vazbu podle Obr.1 připadají dvě část 1ce.

_r _ _{r r} 3 1 HR

L, — + L·,— —kT —

2 12ď (2| konstanta l,38E-23 kde k je Boltzmanova termodynamická teplota složitější sytém, kde na Z ^_e koordinační číslo uspořádání částic 12) se získá vztah (J/K) a T (K). Zobecněním vztahu (2) na jednu částici připadá Z/2 vazeb (kde v prostoru, 2 í Z d +£,,=—kTZHR

24d (3) dutá. pro trojici částic podle Obr.2 je Z = 2.

“ake násobek střední hodnoty kinetické energie kT /1 _ 3 ZHR

Á7 ” kT ~ 2 24kTd (3a)

- 5 pro systém třech částic (Z = 2), který využívá předložený nový elektromechanický měnič, je jako příklad pro několik :: iloměrů částic R vynesena závislost energie Εχ na vzdálenosti vti částicemi na Obr.3.

Objemová hustota vnitřní energie systému částic ε (J/m³) orv poklesu vzdálenosti částic na nejmenší možnou hodnotu d₀ je s použitím rovnice (3) »P=n{E_K+E_p) = kT xR kd

ZHR

247;

kT _Λ 1 ZH φ----Φ--_

8c R 32c R'd₀ (4) je počet částic v jednotkovém objemu 1 m³ a Φ podíl oponu, vyplněný částicemi.

Závislost objemové hustoty energie ε na velikosti částic, poloměru kulovitých částic R, vykazuje podle Obr. 4 výrazné minimum, vyplývající z první parciální derivace rovnice (4) podle poloměru R ér 3 _Λ PH — ₌ _φ---+ Φ dR 8c Λ

16τκ/₀ R'

21kT = -Φ-— + Φ

8cfi

PH &id,R³

0, (5)

Podle rovnice (5) dochází k poklesu hustoty energie ε na minimální hodnotu při optimálním poloměru kulovitých částic

Z rovnice (6) vyplývá základní konstrukční směrnice pro řičení optimální velikosti kulovitých útvarů - nanočástic systému ve vztahu k parametrům pracovní teplota T, minimální voré vzájemné přiblížení nanočástic d₀, jejich geometrické uspořádání dané koordinačním číslem Z a Hamakerova konstanta H pn materiál nanočástic a prostředí, v kterém jsou nanočástice uloženy.

Dosazením optimálního poloměru kulovitých nanočástic R* ?. rovnice (6) do rovníce (4) se získá vztah pro minimální 'vir.ou objemovou hustotou energie systému částic

-6= Φ· kT r kTd_n54 —⁰

ZH

φ.

PH 'q₅₄™_t

ZH

7tF{kT)' <zh' do j

Z rovnice (7) vyplývají další směrnice pro návrh výkonného <r. romechanického měniče minimalizací objemové hustoty maximalizaci maximalizaci maximalizací i částic při energie ε' . Jedná se o minimalizaci teploty T, codíiu objemu, vyplněného částicemi Φ a koordinačního čísla uspořádání nanočástic Z, ramakeřový konstanty H a minimalizaci vzdálenost ;ejích maximálním přiblížení d₀ ·

Jako příklad výpočtu optimální velikosti funkčních r .inrčást-ic z minima závislosti vnitřní energie ε (R) na velikosti poloměru R kulovitých útvarů podle rovnice (4) mírněné na Obr.4 nebo přímo podle rovnice (6) lze pro restem třech nanočástic podle Obr.2 s koordinačním číslem Z^-/ uvést d 0 424x10 /?’ 54ÁL~úh = 54x1,38x10^-23 x310x--- = 9,80x 10⁹/m = 9,8«w

ZH 2x5x10

Minimální vnitřní energie příkladného systému nanočástic podle rovnice (7) je v tomto případě

Φ	Ph}	0,185	2x5x10 ^2l 'j
mó (kT)²	1 j	m x 6' (kx 310)²	0.424 x 10“ J

= -150,652 Jnf³

Použitá Hamakerova konstanta H = 5.10“²¹ J je průměrnou hodnotou dat udávaných pro nasycené uhlovodíky s lineárním ietězci obsahujícími více než 15 atomů uhlíku, proteiny, technicky využívané polymerní materiály atd. uložené ve vodním r1 ústředí.

Minimální vzdálenost do mezi povrchy kulovitých útvarů tu. vykonání maximální práce může být dána tloušťkou vrstvy prostředí, oddělující nanočástice od vzájemného dotyku a případné chemické interakce, např. dvojnásobnou tloušťkou virtvy iontů Ca²⁺ na povrchu kulovitých nanočástic, tj. d₀ = i',424 nm. Přítomnost iontů Ca²⁺ na povrchu částic je nutná rip:, na vyvolání přitažlivé interakce van der Walsovými ťd.ďnú odstíněním elektrostatických odpudivých sil.

Systém třech částic může vytvářet nejtěsnější uspořádání 1 uriio v mřížce hep (hexagonal closest paeking) a tím maximalizovat koeficient zaplnění prostoru nanočásticemi

	^Dn
Ψ = 0,74		= 0,74 -
\ J	1.2

0,185 (8) < číslo 0,74 vyjadřuje hustotu zaplnění prostoru kulovitými částicemi při jejich nejtěsnějším uspořádání a poměr D_H/D_Crmér průměrů kulovitých útvarů a jejich koordinačních sfér.

Dále je popsán mechanismus relaxace (uvolnění) základní i’ tlň k V .

Pro zajištění cykličnosti funkce základního systému po uuooěhlé kontrakci působením přitažlivých van der Waalsových sil se musí základní systém uvolnit, tj . vrátit do výchozího stavu před kontrakcí, tj. ze záporných hodnot zvýšit potenciální energii E_P částice na hodnotu E_P - 0. Toho lze dosáhnout dostatečně velkým vzájemným oddálením nanočástic, podle rovnice (1) na vzdálenost d - °°.

Oddálení nanočástic se podle předkládaného principu dosahuj e nabitých Trvalého elektrostatickým odpuzováním povrchů nanočástic nábojem nabíjení povrchu nanočástic trvale elektricky stejného znaménka, se může dosahovat specifickou absorbcí z okolního kapalného prostředí, disociací

-ovrchových chemických skupin nanočástic nebo jiným

Pří novém zvýšení koncentrace iontů v prostředí mezi částicemi se elektrostatické odpuzování opět odstíní vznikem opačně nabité vrstvy iontů v těsné blízkosti nabitého povrchu ujiiočástic a van der Waalsovy přitažlivé síly vyvolají novou kontrakci.

Mechanismus cyklické změny interakce.

Cyklická změna interakce (a tím cyklické změny stavu dílci kontrakce a uvolněni) mezi nanočásticemi se dosahuje cyklickou změnou koncentrace iontů v okolí vodivých polymerních vláken v místech interakcí nanočástic. Energie, potícbná k vykonání vnější práce systému, se dodává např. elektrickou energií na vznik elektrického pole, v němž se ionty uvádějí do pohybu žádoucím směrem buďto k vyvolání Kontrakce nebo uvolnění. Transport iontů se odehrává podél v_.aken ve směru k disku nebo od disku (Obr. 9) , který slouží ?u<o zásobník iontů s potřebnou kapacitou.

-8Celý cyklus lze popsat rovnici (3), rozšířenou o člen, zvyšující potenciální energii interakcí mezi nanočásticemi o elektrostatické odpuzování podle DLVO (Derjaguin - Landau Verwey - Overbeek) approximace interakční energie mezi dvěma <u._tzvitýmí koloidy stejného poloměru R ve vzdálenosti d. Použitá aproximace platí pro tenké elektrické dvojvrstvy relativné ke vzájemné vzdálenosti částic:

7HR

E, =E,+E,, + E„ = —kT--+ tAkTxRnK'tye ' (9)

K z z./. _{2 24J} /«

Nero jako násobky součinu kT /:j 3 ZR .. _n , , -4 , , — ----------64t/?ha'yrp ¹ (10)

EE 2 24kTd kde j e n ... objemová koncentrace iontů, m'³ κ v.. tlouštka elektrické dvojvrstvy protiiontů stínících odpudivé elektrostatické síly, τη, y_: ... parametr povrchového potenciálu. Pro 80 - 90 mV γ_α =0.7.

Tlouštka elektrické dvojvrstvy

kde j e

·.: permitívita vakua, 8.854 E-12 Fm v,_? relativvní permitívita prostředí e elementární náboj, 1.602 E-19 C.

z valence iontů v prostředí

Na Obr. 6 jsou jako příklad vyneseny grafy interakční energie podle rovnice (10) v závislosti na vzájemné vzdálenosti kulovitých nanočástic s poloměrem R = 10,5 nm. Relativní permitívita prostředí vody ε_Λ - 80 a proměnná tenoentrace dvojmocných iontů podle parametrů grafů.

Při nízké koncentraci kationtů 2E24 m³ jsou nanočástíce op učeny do vzájemné vzdálenosti d_R = 21,6 nm a vlákna se menou volně pohybovat ve volném prostoru mezi nanočásticemi.

Při transformaci z uvolněného stavu do kontrakce se '.oncentrace kationtů musí zvětšit až na hodnotu, zajišťující ouktneky úplné odstínění elektrostatického odpuzování

-9:tás11c (na Obr. 6 koncentrace dvojmocných iontů 1E28 rrf³). léto iontové koncentraci odpovídá na Obr. 6 graf interakční energie ve stavu kontrakce.

Směna interakce mezi částicemi se vyvolává ovlivňováním .iíiíi interakcí, které jsou tvořeny přitažlivými van der bobrovými, odpudivými, způsobenými tepelným pohybem částic, -'.i-re jsou přítomné vždy při teplotách T > 0 K a ostatními odpudivými, jako jsou elektrostatické, elektromagnetické,

--1 ekt rodynamické a podobně.

Systém nanočástic se může skládat z částic různého tvaru, :^;ižemž funkce základního systému je zde popsána na příkladu ;ednoduchého kulovitého tvaru částic. Systém nanočástic s cvo-išným tvarem částic pracuje na stejném principu, ale s možnými funkčními a/nebo technologickými obměnami.

Převodní systém.

Převodní systém převádí změnu uspořádání částic základního systému na požadované tvarové a/nebo objemové změny elektromechanického měniče. Opakováním změny interakce a uspořádání částic je převodní systém schopen kumulovat tvarové a/nebo objemové změny elektromechanického měniče.

Přirozená tendence systému nanočástic přecházet podle Obr, 5 nebo 6 na nižší hodnotu interakční energie vyvolává mých přibližování a růst van der Waalsovy přitažlivé síly podle vztahu

HR který platí pro kulovité částice o poloměru R ve vzdálenosti O-ich povrchů d << R.

Přibližování kulovitých nanočástic se převádí do posuvu .u.uKna mezi částicemi ve směru kolmém na směr přibližování podle Obr.7 a Obr,8. Kulovité částice, zavěšené na závěsných vláknech v triádách kolem vodivého vlákna, se po zvýšení tt rrrentrace kladných iontů kolem vodivého vlákna (o průměru tiapr. 10 nm) vzájemně přitahují a přiblíží až na vzdálenost d, tt-?'á je menší než průměr vlákna D_A , (o průměru např, 21 nm) ., sevřeného mezi Částicemi. Po počátečním vychýlení částic troudem iontů podél vodivého vlákna (nebo jiným mechanismem) vyvolává přitažlivá síla mezi částicemi axiální síly v obou druzích vláken a jejich vzájemný posun. Např. náklon částic o

- 10vyvolá pro uvedený příklad rozměru vzájemný posun obou -:er. o přibližně 15 nm.

Navrhované řešení, využívající působení triád nanočástic vlákno umožňuje využít největších přitažlivých van der vlnových sil v pásmu jejích největšího přiblížení, přičemž -ηι vlákno může mít mnohem větší průměr, než je vzdálenost ; největším přiblížení nanočástic. Toto řešení dále umožňuje dle Obr.9 využít řadu triád nanočástic (na obrázku je řez uce dvěma řadami nanočástic) působících na jedno vlákno, ve kterém se kumulují jednotlivé axialní posuvy a síly, redukované van der Waalsovým přitahováním triád nanočástic. vlákno s větším příčným průřezem umožňuje přenášet síly zudukované až desítkami triád nanočástic. Další růst výsledného axiálního posunu a síly je dosahováno cyklickým opakováním jednoduché kontrakce. Lze kumulovat desítky až slovky jednoduchých cyklů a dosahovat tak kontrakcí až na rrozinu délky stavu základní buňky při jejím uvolnění.

Vodivé vlákno musí zajišťovat i funkci transportéru iontů do mist funkce triád nanočástic. Tuto funkci transportéru ioniu zajišťuje např. makromolekulám! řetězec (nebo jejich svazek) elektricky vodivého polymeru. Elektricky vodivá polymerní vlákna jsou uložena v kapalném prostředí, které umožňuje transport iontů podél povrchu vlákna ve vhodném elektrickém poli.

kmmyslová využitelnost

Elektromechanický měnič - nanoaktuátor podle tohoto vynalezu nalezne uplatnění zejména v průmyslu a medicíně.

Z průmyslového využití se jedná především o aplikace v mikroelektronice a postupně se rozvíjející nanoelektronice. kro činnost nanoaktuátoru je sice třeba vytvářet dosti silné elektrické pole, ale při vzdálenosti elektrod (disků na Obr. 9) v runu několika mikrometrů postačuje relativně malé řídící /vili (řádově 100 mV) . Tím se vyhovuje požadavku omezení elektrických a magnetických polí, která mohou rušit okolí mikro- nebo nanosystému a dalších připojených částí.

Malá napětí a proudy přesto vyvolávají díky postupné kumulaci posunu a/nebo indukované síly velké celkové mechanické síly i posuny. Tyto aktuátory mohou ovládat nepružnější nanomechanické, mikromechanické i velké systémy nejenom v průmyslu ale také v medicíně pro chirurgií, mmsport léčiv nebo diagnostiku. Zvláštní uplatnění mohou nalézt v ortopedii jako aktivní implantáty, nahrazující funkci

- 11 yr.errsích svalů. Velikostí, ovládacím napětím na úrovni -ív.scb potenciálů nervové soustavy a používáním polymerních materiálů mohou být plně kompatibilní s biologickou tkání.

Další využití je možno očekávat v konstrukcích lineárních ru, dopravě, sportu a mnoha dalších oborech, kde mohou uplatnit své výhodné parametry ve srovnání s dosud používanými poule Tabulky 2.

luh. 2. Porovnání funkčních parametrů současně používaných .-irtuátorů, biologických svalů a předkládaného nanoaktuátoru.

Princip	Maximál ní deforma ce (%)	Řídící el.nap ětí (V)	Účinno st (%)	Min. čas reakce (s)	Max. mech. napětí (MPa)	Pozn.
Elektro- strikce,	0,3	100	1	10'⁶	40	Křehké
Magneto- strikce	0,3	10	1	10’⁶	40	Křehké
o i 1 r. i n y s tvarovou námětí	10	10	1	1	700	Omezená život- nost
Elektroakt ivní polymery	10	1	1	10 ¹	1	Flexibilní
Kosterní mi savců	300	0.1	20	10‘³	100	Flexibilní
Nový princip	>300	0.1	>30	<10 ³	>100	Flexibilní

- 13 \ led obrázků na výkresech tysfém dvou částic

Systém třech částic

Tr.Lerakční energie jako násobek střední hodnoty kinetické energie nanočástic E/(kT) v závislosti na jejich vzdálenosti

d.

Objemová hustota kinetické e_K, potenciální van der Waalsovy e_P a celkové energie e systému kulovitých nanočástic v závislosti na jejich poloměru R.

Objemová hustota kinetické e_K, potenciální van der Waalsovy e_F a celkové energie e systému kulovitých nanočástic optimálního poloměru R* v závislosti na jejich vzdálenosti d.

Celková interakční energie mezi kulovitými nanočásticemi průměru D_H = 21 nm ve vodě (Η = 5E-21 J, eR = 80, T = 37°C) při kontrakci a uvolnění.

Geometrie vzniku axiálního posunu mezi vodivým a závěsným vláknem základní jednotky aktuátoru pří naklopení kulovité nanočáštice.

Geometrie vzniku podélné síly ve vodivém a závěsném vláknu základní jednotky aktuátoru při naklopení kulovité nar.očást ice.

Schéma funkce základní jednotky aktuátoru.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Elektromechanický měnič, vyznačující se tím, že sestává z alespoň jednoho polymerního vlákna o průměru 5 až 15nm okolo kterého jsou na závěsných vláknech o průměru 1 až 5 nm umístěny alespoň tři nanočástice o poloměru 5 až 20 nm, polymemí vlákno je připojeno k alespoň jednomu elektricky vodivému disku, obklopeného vrstvou iontů s kladným nábojem, přičemž ionty jsou transportovány podél polymerního vlákna změnou potenciálu, připojovaného na disk.

2. Elektromechanický měnič podle nároku 1, vyznačující se tím, že alespoň polymerní vlákno, závěsná vlákna a kulovité pevné částice jsou uloženy v kapalném prostředí.

3. Elektromechanický měnič podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že vrstva iontů je tvořena vícemocnými ionty.

4. Elektromechanický měnič podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že nanočástice mají optimalizovanou kombinaci rozměru, materiálu, vnitřní struktury materiálu, největšího možného vzájemného přiblížení a provozní teploty, pro dosažení maximálního poklesu objemové hustoty energie při jejich přiblížení, přičemž energie se skládá ze složky kinetické energie jejich tepelného pohybu a potenciální energie van der Waalsovy přitažlivé interakce mezí nanočásticemi a maximální pokles celkové vnitřní energie odpovídá maximu vykonané vnější práce.

5. Elektromechanický měnič podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že při oddálení nanočástic se jsou trvale elektricky nabité povrchy nanočástic připojeny k náboji stejného znaménka.

6. Elektromechanický měnič podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že systém nanočástic s odlišným tvarem částic pracuje na stejném principu jako částice s tvarem kulovitým, ale s možnými funkčními a/nebo technologickými obměnami.

⁷ - Elektromechanický měnič podle kteréhokoli z uvedených nároků, vyznačující se tím, že nanočástice jsou uspořádány do hexagonální mřížky.

8. Elektromechanický měnič podle kteréhokoli z uvedených' nároků, vyznačující se tím, že polymerní vlákno je tvořeno elektroaktivním polymerem.