In den letzten Jahren wurde an einer Reihe von Aktuatoren bzw. Mikro- aktuatoren, d. h. kleinsten Systemen zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie ("künstliche Muskeln") geforscht, die auf neuarti- gen Materialien wie keramischen Systemen, piezoelektrischen Polyme- ren, elektrostriktiven Polymeren, polyelektrolytischen Polymeren, leiten- den Polymeren und Nanotubes beruhen.

Aktuatoren umfassen im allgemeinen wenigstens zwei Elektroden und zumindest eine Schicht, die ihre Ausdehnung durch den Einfluss elektri- scher Energie in wenigstens einer Dimension verändert.

Aus dem Artikel von Baughman et al. in Science 1340 (1999) ist be- kannt, dass Single-Wall Nanotubes (SWNT) bei Anlegung einer elektri- schen Spannung ihre Länge und ihren Durchmesser verändern. Single- Wall Nanotubes sind einwandige Kohlenstoffröhrchen mit einem Durch- messer von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikro-bis Millime- terbereich. Die Längen-und Durchmesserveränderungen der Nanotubes beruhen auf der Veränderung der Länge der Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindung in Abhängigkeit von der Menge der injizierten Ladung infolge quantenmechanischer Vorgänge.

Im Idealfall kann bei Nanotubes durch das Anlegen einer Spannung eine Längenänderung von ca. 1% erreicht werden.

Carbon-Nanotubes zeichnen sich durch hervorragende mechanische und thermische Eigenschaften aus. Sie sind im Gegensatz zu Polymeraktua- toren, die bereits bei Temperaturen von 70°C keine Aktuation mehr zei- gen, je nach Bedingungen bis zu 750°C oder im Vakuum gar bis 2. 800°C stabil. Auch wird davon ausgegangen, dass sie biokompatibel sind, was ihre Anwendung in der Medizintechnik ermöglicht. Mit Carbon-Nanotubes sind darüber hinaus weitaus größere Kräfte erzeugbar, als es bei den bislang bekannten Polymer-und Piezoaktuatoren der Fall ist. Auch kön- nen Carbon-Nanotubes prinzipiell mit einer sehr geringen Versorgungs- spannung von 1 Volt betrieben werden, wohingegen bei Polymeraktuato- ren Versorgungsspannungen von 70-300 V und bei Piezoaktuatoren sogar Versorgungsspannungen von bis zu 1000 V erforderlich sind. Wei- terhin zeigen die Carbon-Nanotubes kein Überschwingverhalten.

Verschiedene Arbeitsgruppen haben sich damit beschäftigt, möglichst große Aktuatoreffekte zu erzielen. In diesem Zusammenhang wurde ver- sucht, große Ladungsmengen in der elektrochemischen Doppelschicht an den Carbon-Nanotubes zu speichern, indem Schichten von Carbon- Nanotubes (Bucky-Paper) hergestellt, diese in einen Elektrolyten ge- taucht und ein elektrochemisches Potential angelegt wird.

Baughman et al. beschreiben in Science 1340 (1999) Untersuchungen von efek-tromechanischen Aktuatoren aus Kohlenstoff-Nanotube- Papieren, die in 1 m NaCI als Elektrolyt durchgeführt wurden. Auch wird in diesem Artikel über die Bestimmung der gravimetrischen Kapazität in den Elektrolyten 38 % H2SO4 sowie LiCl04 in Acetonitril oder Propylen- carbonat berichtet. Auch in dem Artikel"Electro-mechanical behavior of carbon nanotube sheets in electrochemical actu'ators"in"Smart Structu- res and Materials"25 (2000) von Mazzoldi et. a !. werden Aktivitätsmes- sungen von Nanotube-Papieren in 1 m NaCI vorgestellt.

Zur Herstellung der bislang bekannten-Bucky-Paper wird eine Suspens- on von Nanotubes auf einem PTFE-Filter einer Vakuumfiltration unterzo- gen und anschließend wird das getrocknete Nanotube-Papier (Bucky- Paper) vom Filter abgezogen. Durch dieses Verfahren werden Bucky- Paper mit einer statistischen Anordnung der Nanotubes erhalten.

Die Veränderung in der Längs-und Querachse, die bei den bislang be- kannten Bucky-Papern erreicht wird, liegt weit unterhalb der im Idealfall beobachteten Längen-und Querveränderung von ca. 1% bei einzelnen Nanotubes. Mit zunehmender Schichtdicke eines Bucky-Papers nimmt die Veränderung in der Längs-und Querachse weiter ab und die Aktuati- onsgeschwindigkeit sinkt weiter.

Die bislang bekannten Nanotube-Aktuatoren weisen eine zu geringe Ak- tuations-amplitude, d. h. zu geringe Veränderung in der Längs-und Querachse der Nanotubes in dem Bucky-Paper und eine zu geringe Kraft auf. Bislang beschränken sich Entwicklungen auf dem Gebiet des Bucky- Paper und der Nanotubes im wesentlichen auf die Grundlagenforschung.

Aus den oben genannten Gründen ist bislang kein industriell einsetzbarer Nanotube-Aktuator verfügbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Aktuatoren mit besseren Aktuationscharakteristiken, insbesondere größeren Aktuation- samplituden und größerer Aktuationsgeschwindigkeiten, bereitzustellen und Verfahren ihrer Herstellung und Anwendung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche Sl 5, 11, 16 bis 25 gelöst.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, dass eine Verbesserung der Aktuationscharakteristik von Nanotube-Aktuatoren, insbesondere von Carbon-Nanotube-Aktuatoren, erreicht werden kann, wenn die in der Schicht aus Nanotubes (nachfolgend kurz"Bucky- Paper") verteilten Nanotubes nicht statistisch in der Bucky-Paper-Schicht verteilt sind sondern gemittelt über alle Lagen eine Vorzugsrichtung aufweisen. Die Erfindung sieht deshalb vor, die Nanotubes im wesentli- chen wenigstens teilweise bezogen auf ihre Längsachse in einer Vorzugs- richtung in der Papierebene anzuordnen. Bezogen auf die Vorzugsrich- tung sollten die Nanotubes im wesentlichen in einem Winkel kleiner als 90°, bevorzugt kleiner als 60° und besonders bevorzugt kleiner als 45°, bis hin zur parallelen Anordnung ausgerichtet sein.

Durch diese Anordnung kann das bei der statistischen Anordnung be- kannte destruktive Aktuationsverhalten reduziert und damit die Aktuati- onsamplitude erhöht werden.

Es zeigt sich, dass die mechanischen Eigenschaften von Bucky-Paper mit hochgradig ausgerichteten Nanotubes im Vergleich zu Bucky-Paper mit statistisch verteilten Nanotubes abnehmen, so dass zum Beispiel die e- lastischen Eigenschaften verschlechtert werden. Die Verwendung von Zusatzstoffen wie zum Beispiel Verbindungen, die die Adhäsion erhöhen oder die ausgerichteten Nanotubes flexibel einbetten, ohne ihre Ausdeh- nung zu beeinträchtigen, werden dann bevorzugt.

Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung Carbon- Nanotubes, insbesondere Single-Wall Nanotubes aus Kohlenstoff, einge- setzt. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, Multi-Wall Carbon- Nanotubes einzusetzen oder gar Nanotubes aus anderen Elementen oder Verbindungen wie beispielsweise Bornitrid (BN), Metallsulfide (MoS2, WSz) oder Metalloxide (z. B. V205) zu verwenden. Prinzipiell können alle tube-förmigen Materialien verwendet werden, die unter Anlegung elekt- rischer Größen, wie zum Beispiel Spannung oder Strom, eine mechani- sche Auslenkung zeigen.

Soweit nachfolgend der Begriff"Bucky-Papers"verwendet wird, beinhal- tet er nicht nur Schichten aus Carbon-Nanotubes, sondern auch Schich- ten aus anderen Nanotubes.

Eine weitere Verbesserung des Aktuationsverhaltens bei Aktuatoren aus Carbon-Nanotubes kann erreicht werden, wenn das Bucky-Paper weitge- hend frei von Verunreinigungen wie Fullerenen, Graphitpartikeln und Katalysatorzusätzen ist, da diese Verunreinigungen zu einem schlechten Aktuationsverhalten beitragen. Die Verunreinigungen können durch hyd- rothermische oxidative Verfahren und anschließende Behandlung in Säu- ren entfernt werden. Die Reinheit des Nanotube-Papiers sollte wenigs- tens 60 %, vorzugsweise wenigstens 80 %, betragen.

Die Ausrichtung der Nanotubes in dem Bucky-Paper kann während der Herstellung des Bucky-Paper durch Ausrichtung der Nanotubes mittels physikalischer oder chemischer Methoden erfolgen. Beispielsweise kön- nen die Nanotubes durch ein elektrisches, magnetisches und/oder elekt- romagnetisches Feld und/oder unter Einfluss von Ultraschall in einer Tensidsuspension ausgerichtet werden. Die unter diesen Bedingungen durchgeführte Sedimentation oder die Übertragung auf ein geeignetes Substrat, in Anlehnung an die Langmuir-Blodgett-Technik, ermöglicht einen höheren Ausrichtungsgrad.

Die Ausrichtung der Nanotubes kann auch durch Rotationsverfahren, bei denen die Nanotubes in einer Suspension durch Rotation im wesentli- chen entlang ihrer Längsachse parallel ausgerichtet werden und die aus- gerichtete Nanotube-Schicht anschließend abgeschöpft beziehungsweise auf einen Träger übertragen und getrocknet wird, erfolgen.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde weiterhin festgestellt, dass sich die Aktuationsamplitude und die Aktuationsgeschwindigkeit durch geeignete Auswahl der Elektrolyte vergrößern lassen.

Eine Steigerung der Aktuationsamplitude kann durch Einsatz von Elekt- rolyten mit großen Ionen und/oder hoher Ladungszahl erreicht werden.

Vorzugsweise werden Elektrolyte mit großen Anionen eingesetzt, wenn die Bucky-Paper mit dem Pluspol verbunden sind und Elektrolyte mit großen Kationen, wenn die Bucky-Paper mit dem Minuspol verbunden sind.

Die Art des Elektrolyten hat jedoch auch einen Einfluss auf die Aktuati- onsgeschwindigkeit. Durch den Einsatz von schnellen Ionen, d. h. hoch geladenen, kleineren Ionen, kann die Aktuationsgeschwindigkeit gestei- gert werden.

Da mit großen Ionen eine hohe Aktuationsamplitude erreicht werden kann, jedoch die Aktuationsgeschwindigkeit vermindert wird und umge- kehrt, gilt es, geeignete Elektrolyte auszuwählen, bei denen sowohl für die Aktuationsamplitude, als auch für die Aktuationsgeschwindigkeit gute Werte erreicht werden.

Prinzipiell können die Elektrolyte aus der Gruppe der Alkali-und Erdalka- lisalze, aber auch Aluminiumsalze. beziehungsweise Metallsalze der Halo- genide, Nitrate, Sulfate, Phosphate, Hydrogenphosphate, Dihydro- genphosphate, Halogenate und Perhalogenate, Hydroxide, Acetate, Oxa- late oder-soweit beständig-deren Säuren ausgewählt wie beispiels- weise LiCl, NaCl, KCI oder die entsprechenden Fluoride, NaN03, Na2S04, Na3P04, NaClO3, NaCl04 oder die entsprechenden Lithium oder Kalium- salze oder Erdalkalisalze.

Auch Elektrolytmischungen können zur Optimierung eingesetzt werden.

Als Lösungsmittel für die Elektrolyte ist Wasser oder ein anderes polares Lösungsmittel, das die Dissoziation der Ionen ermöglicht, geeignet. Auch gelförmig hochviskose Elektrolyte, wie zum Beispiel Polyelektrolyte, Ionomere oder mit Elektrolyt gequollene Hydrogele können eingesetzt werden, um zum Beispiel die Viskosität einzustellen.

Vorzugsweise beträgt die Konzentration des Elektrolyten in dem Lö- sungsmittel zwischen 0,1 und 5 mol/l, besonders bevorzugt sind 0,2 bis 2 mol/l.

Wird Na2SO4 als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Na2S04 Konzentrati- on in der wässrigen Lösung vorzugsweise zwischen 0,5 und 2 mol/l, be- sonders bevorzugt etwa 1 motel Werden Phosphate beziehungsweise Hydrogenphosphate als Elektrolyt eingesetzt, so beträgt die Phosphatkonzentration in der wässrigen Lö- sung vorzugsweise zwischen 0,1 und 1 mol/l, besonders bevorzugt etwa 0, 5 mol Die Löslichkeit kann gegebenenfalls durch Einstellen des pH-Wertes vari- iert werden.

Die Phosphate, zum Beispiel Na2HP04, zeigen in wässriger Lösung zu- sätzlich eine höhere Viskosität, so dass Dichtungsprobleme bei Anwen- dung der In-Case Technologie bei Multilayern an der Stelle des Stösels vermindert werden. Besonders gute Ergebnisse wurden mit einer ca. 1 m wässrigen Nazis04 als Elektrolyt erzielt. Auch ist die chemische Reakti- vität, insbesondere die Korrosion, von Na2SO4 als Elektrolyt gegenüber Kochsalzlösung vermindert.

Um die Aktuationsamplitude des Bucky-Paper in einem Aktuator weiter zu verbessern, sieht eine bevorzugte Ausführungsform eines Aktuators vor, mehrere dünne, Nanotubes umfassende Schichten, vorzugsweise sehr dünne Schichten der Bucky-Paper, zu Multilayern bis zum Erreichen der gewünschten Aktuatordicke zu stapeln. Sehr dünne Schichten der Bucky-Paper sind Schichten von wenigstens einer Monolage, vorzugswei- se mehreren Monolagen, bevorzugt im Bereich zwischen 100 nm und 100 um. Möglich sind auch Dicken bis in den Millimeterbereich.

Unter Multilayern werden wenigstens zwei, vorzugsweise-wenigstens 5 und besonders bevorzugt wenigstens 10, übereinander gestapelte Nano- tube-Schichten verstanden. Eine Beschränkung hinsichtlich der Maximal- dicke des Aktuators besteht prinzipiell nicht.

Fails gewünscht, kann zwischen den Bucky-Paper-Lagen eine vorzugs- weise poröse Kontaktierungsschicht vorgesehen sein, auch um den schnellen Durchtritt des Elektrolyten zu ermöglichen. Ohne eine Kontak- tierungsschicht verringert sich der Wirkungsgrad des Multilayerstapels, da das Bucky-Paper an sich im ersten Moment bei Belastung nachgibt.

Die steife Kontaktierungsschicht dient quasi ais Gegenlager der Aktuati- on.

Ein Vorteil der Kontaktierung ist neben der größeren Kraft die schnellere Aktuation, da die gesamte Oberfläche des Bucky-Paper kontaktiert ist.

Anwendungsgebiete von Multilayern mit Kontaktierungsschicht sind bei- spielsweise : Schnelle und starke Aktuatoren, wie z. B. Stellglieder.

Die Kontaktierungsschicht kann aus einem elektrisch leitenden Material bestehen. Als elektrisch leitende Materialien eignen sich Metalle wie ins- besondere Edelmetalle wie Silber, Gold, Platin, Kupfer, aber auch Alumi- nium, elektrisch leitende Polymere u. a. Die Materialien können als Folie auf dem Bucky-Paper aufgewalzt oder aufgeklebt werden. Auch ist mög- lich, die Metallschicht mittels Sputtern, Aufdampfen, CVD oder PVD- Verfahren oder Spincoating auf dem Bucky-Paper aufzubringen. Auch kann das Aufwachsen des Bucky-Papers auf einer Metallschicht durchge- führt werden.

Die Dicke der Kontaktierungsschicht beträgt vorzugsweise zwischen 1 nm und 100 Dm, vorzugsweise etwa 5 bis 10 Elm, um sowohl der An- forderung einer dünnen, als auch einer starren Schicht gerecht zu wer- den, was selbstverständlich von den jeweiligen Eigenschaften des Kon- taktierungsmaterials abhängig ist.

Prinzipiell kann die Multilayer-Technik sowohl bei den bislang bekannten, als auch bei dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper angewandt werden, wobei letzteres bevorzugt ist.

Durch diese Multilayer-Anordnung kann die Aktuationskraft um die An- zahl der einzelnen Layerschichten der Bucky-Papers vervielfacht werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, jede einzelne Kontaktie- rungsfolie in dem Multilayer an ihrer über die einzelnen Bucky-Paper- Schichten hinaus stehenden Ende zu Kontaktieren.

Eine weitere Ausführungsform sieht vor, die Multilayer-Stapel konzen- trisch oder nach dem Zwiebel-Prinzip aufzubauen. Hierdurch wird eine große Kraft und schnelle Aktuation erreicht, so dass eine spezifische Nutzung der Aktuation durch Multilayer-Technik, z. B. radial, axial, line- ar, erfolgen kann.

Ein derartiger Aktuator in Multilayer-Anordnung kann ohne Elektrolyt durch direkte elektrische Kontaktierung angesteuert werden, wobei be- vorzugt, jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, die Bucky-Paper-Schicht mit dem Minus-und die Kontaktierungsschicht mit dem Pluspol zu ver- binden.

Neben der Optimierung des Elektrolyten besteht auch die Möglichkeit, elektrolytfrei eine Aktuation des Bucky-Papers zu erzwingen. Dazu müs- sen Spannung und Stromstärke angepasst werden. Vorzugsweise wird eine Spannung zwischen 0,5 und 100 V, besonders bevorzugt kleiner 10 V (wegen späterer Einsatzgebiete), verwendet. Die Ströme liegen im Bereich von Mikro-bis Milliampere.

Selbst die Aktuation von Bucky-Paper-Schichten oder Multilayern allein durch E-Feld ohne physikalische Kontaktierung ist möglich.

Auch kann ein auf der Multilayer-Technologie basierender Aktuator in einem Elektrolyten, vorzugsweise dem erfindungsgemäßen Elektrolyten, eingesetzt werden. Um ein besseres Eindringen des Elektrolyten zu ge- währleisten, sind die Kontaktierungsschichten-wie die Bucky-Paper- Schichten-vorzugsweise porös. Die Anwendung des auf der Muiüitiiayer- Technologie basierenden Aktuators basiert vorzugsweise auf der In- Case- (Hüllen-) Technologie. Hierbei werden Bucky-Paper-und die Kon- taktierungsschichten in einem Elektrolyten zu einem Aktuatorenstrang in einer Hülle integriert. Urn die einzelnen Bucky-Paper-Schichten aufzu- bauen, können die einzelnen Bucky-Paper-Schichten in Bondingtechnik kontaktiert werden.

Vorzugsweise ist die Hülle zumindest in einer Dimension veränderbar, insbesondere in einer Hauptbewegungsrichtung des Aktuators. Die Hülle kann beispielsweise als Dichtschlauch aus polymerem, elektrolytresisten- tem Material, insbesondere als Polymergehäuse, ausgebildet sein.

Bei Anwendung der In-Case-Technologie sollte der flüssige Elektrolyt eine nicht zu geringe Viskosität aufweisen, um ein Herauslaufen am Stö- sel, an dem die Kraft abgenommen wird, zu verhindern. Somit können durch geeignete Auswahl des Elektrolyten Dichtigkeitsprobleme verrin- gert werden. Eine hinreichende Dichtigkeit wurde zum Beispiel mit ge- sättigten NaH2P04 erzielt.

Mit der Multilayer-Technik können einerseits Stellantriebe für kleine Wegstrecken (künstliche Muskeln) bereitgestellt werden. Die Umwand- lung von elektrischer in mechanische Energie kann jedoch auch umge- kehrt werden, so dass die auf der Multilayer-Technik basierenden Aktua- toren beispielsweise auch als Kraftmessdose eingesetzt werden können, d. h. durch eine auf den Stapel wirkende Kraft erfolgt eine Spannungsän- derung, die gemessen und aus der die Kraft bestimmt wird.

Zusätzlich zu der oben beschriebenen Standardkonfiguration in der In- Case-Technologie kann das Bucky-Paper während der Relaxationsphase frei von Ionen gehalten werden, wenn eine zusätzliche Relaxationse- lektrode eingesetzt wird. Somit kann sowohl Kraft als auch Geschwindig- keit des Aktuators positiv beeinflusst werden.

Die Aktuationscharakteristik der Aktuatoren hängt weiterhin auch von der Art der elektrischen Ansteuerung des Aktuators ab. Erfindungsgemäß erfolgt die Ansteuerung des Aktuators vorzugsweise durch Änderung der Spannung. Prinzipiell ist es jedoch ebenfalls möglich, eine stromgeregel- te Ansteuerung vorzusehen. Die stromgeregelte Ansteuerung hat den Vorteil, dass eine größere Kraft erzielt werden kann.

Die Aktuationsamplitude kann weiterhin durch eine dem Elektrolyten entsprechende elektrische Polarität gesteigert werden. Dies kann durch einen gezielten Wechsel der elektrischen Polarität softwareseitig oder auch über eine Flip-Flopschaltung erreicht werden.

Prinzipiell ist es möglich, sowohl den Plus-als auch den Minuspol mit dem Bucky-Paper zu kontaktieren, bevorzugt wird jedoch eine Minuskon- taktierung am Bucky-Paper und eine Pluskontaktierung an der Kontak- tierungsschicht.

Weiterhin wurde festgestellt, dass auch die Geometrie der Bucky-Paper im Elektrolyten die elektrischen Felder beeinflusst. Vorzugsweise wird Bucky-Paper mit runden Geometrien eingesetzt. Längliche oder streifen- förmige Geometrien der Bucky-Paper sind weniger geeignet, ihr Einsatz ist jedoch prinzipiell möglich.

Aufgrund der mechanischen und chemischen Eigenschaften der Bucky- Paper wird vorzugsweise eine spezielle Applikationstechnik, insbesondere Scherkraftentkopplung, eine spezielle Kinematik und die Anwendung der bereits beschriebenen In-Case-Technologie, angewandt.

Bei der Scherkraftentkopplung wird der Aktuator in einem Schutzgehäu- se bereitgestellt, wobei das Schutzgehäuse Scherkräfte aufnimmt und Scherkräfte auf den Aktuator vermieden werden. Solche Schutzgehäuse können beispielsweise aus Edelstahl oder Hochleistungspolymeren, wie zum Beispiel PEEK, bereitgestellt werden.

Vorzugsweise werden zudem die Akuationsamplitude und die Maximal- kraft zusätzlich über-eine spezielle Kinematik vergrößert. So kann durch Hebelgeometrien oder durch spezielle Geometrien und Anordnungen der Bucky-Paper im Raum wie Faltung oder Spiralform der Weg oder die Kraft vergrößert werden.

Die Aktuationscharakteristik kann weiterhin durch Erhöhung der Ionen- geschwindigkeit verbessert werden, in dem eine geometrisch nahe An- ordnung der Elektroden und deren Isolierung gewählt wird. Zur weiteren Erhöhung der Ionengeschwindigkeit können die Elektrolytbecken in Form von Venturi-Röhren gestaltet sein. Auch ist es möglich, gezielt elektri- sche Felder zu erzeugen, auf deren Bahnen sich die Ionen besonders schnell bewegen.

Der erfindungsgemäß optimierte Nanotube-Aktuator zeichnet sich ge- genüber den bekannten Aktuatoren durch folgende Vorteile aus : Er kann mit der geringen Spannung von nur einem Volt betrieben wer- den, somit mit einer um den Faktor 1000 geringeren Spannung als bei keramischen Systemen. Mit dem erfindungsgemäßen Aktuator können weit aus größere Kräfte als in Polymersystemen und größere Ausdeh- nungen als in keramischen Systemen erzielt werden. Es werden Wir- kungsgrade von fast 1 erreicht. Im Gegensatz zu Piezosystemen wird die maximale Ausdehnung ohne Überschwingungen erreicht. Da zudem ein nahezu linearer Verlauf zwischen Längenveränderung und angelegter Spannung vorliegt und die Aktuationsgeschwindigkeit kurz ist, können die Aktuatoren auch in mehreren Stufen-auch in kurzen zeitlichen Ab- ständen-angesteuert werden.

Der erfindungsgemäße Aktuator ist mit einer Dichte von EI = 1,4 g/mm2 wesentlich leichter als Legierungen. Er weist zudem eine hohe Tempera- turbeständigkeit auf, das Rohmaterial Kohlenstoff ist kostengünstig.

Auch ist das Baumaß klein und die Effizienz hoch.

Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Aktuator sind u. a. die Ro- botik, die Medizintechnik, die Mikropositioniertechnik, die Automobilin- dustrie, die Luft-und Raumfahrt, die Feinwerktechnik, die Produktions- technik und die Messtechnik.

Aufgrund der genannten Vorteile können neben der Substitution von klassischen Aktuatoren auch neue hochspannungskritische Anwendungs- gebiete wie beispielsweise in der Medizintechnik (Implantate, Endosko- pie) oder der Kfz-Innenausstattung erschlossen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren und Ausführungs- beispielen näher beschreiben.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Nanotubes, Fig. 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Anordnung der Na- notubes in dem erfindungsgemäßen Bucky-Paper, Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper- Multilayers, Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper- Multilayers in In-Case-Technologie, Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Bucky-Paper- Multilayers in In-Case-Technologie mit zusätzlicher Relaxation- selektrode, Fig. 6 zeigt die Anstiegszeiten von Aktuatoren aus Carbon-Nanotube- Schichten in verschiedenen Elektrolyten bis zur halben (weiß) und vollen (schwarz) Auslenkung, Fig. 7 zeigt die Aktuatorenkraft in Abhängigkeit von den eingesetzten Elektrolyten, Fig. 8 zeigt den Einfluss der Polarität auf die Kraftänderung in Abhän- gigkeit von der Zeit, Fig. 9 zeigt die Kraftveränderung/Volumen in Abhängigkeit von der Kontaktierung, Fig. 10 zeigt die Aktuationsamplitude mit Na2S04 als Elektrolyt in Ab- hängigkeit von der Zeit, Fig. 11 zeigt schematisch den Einsatz des Aktuators als künstlichen Muskel in der Medizintechnik, Fig. 12 zeigt die prozentuale Ausdehnung verschiedener bislang be- kannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren, Fig. 13 zeigt die zulässige Höchsttemperatur bislang bekannter Aktua- toren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren und Fig. 14 zeigt die Versorgungsspannung bislang bekannter Aktuatoren im Vergleich zu Nanotube-Aktuatoren.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellten Single-Wall Nanotubes (SWNT) aus Kohlenstoff sind einwandige Kohlenstoffröhrchen mit einem Durch- messer von wenigen Nanometern und einer Länge im Mikrometerbe- reich. Herstellungsverfahren dieser Nanotubes sind im Stand der Technik bekannt (z. B., Science 1340 (1999) mit weiteren Literaturangaben).

Erfindungsgemäß sind die Nanotubes in der Schicht des Bucky-Paper nicht statistisch angeordnet, sondern weisen in der Schicht gemittelt über die Nanotube-Anordnungen eine Vorzugsrichtung auf, wie die schematische Draufsicht auf das erfindungsgemäße Bucky-Paper in Fig.

2 zeigt. Insbesondere beträgt der Winkel zwischen den Längsachsen der Nanotubes und der Vorzugsrichtung im wesentlichen weniger als 90°, vorzugsweise weniger als 60° und besonders bevorzugt weniger als 45°, bis hin zu einer besonders bevorzugten Anordnung, bei der die Längs- achsen im wesentlichen parallel der Vorzugsrichtung orientiert sind. Zum Erreichen der erforderlichen Festigkeit und der Elastizität der Schichten umfasst die Schicht vorzugsweise Zusatzstoffe, die beispielsweise die Adhäsion erhöhen und/oder die Nanotubes flexibel einbetten.

Die erfindungsgemäße Anordnung der Bucky-Paper in Form von Multi- layern ist in Fig. 3 dargestellt. Die Bucky-Paper 11, die vorzugsweise jeweils aus einer wenigen Monolagen dicken Schicht der in Fig. 2 darge- stellten, im wesentlichen ausgerichteten Nanotubes bestehen, sind auf die gewünschte Aktuatorendicke d gestapelt. Zwischen den einzelnen Bucky-Paper-Lagen befinden sich Kontaktierungsschichten 12 aus elekt- risch leitenden Materialien.

Die Anwendung der Aktuatoren in Multilayer-Technik mit Elektrolyt in der In-Case-Technologie ist in Fig. 4 dargestellt. Der in Fig. 3 bereits beschriebene Multilayer aus den Bucky-Paper-11 und den Kontaktie- rungsschichten 12 ist zusammen mit dem Elektrolyten 13 und der Kon- terelektrode 18 in einer Hülle 14 aus einem polymeren Material integ- riert. Kontaktierungsschichten 12 und Bucky-Paper 11 sind in Reihe ge- schaltet. An die obere Bucky-Paper-Schicht grenzt der Stösel 16, mittels dessen die Kraft übertragen wird. An den Stösel 16 angrenzend befindet sich im Bereich der Hülle 14 eine Dichtlippe 17, die das Herausfließen des Elektrolyts verhindert.

Fig. 5 zeigt den zusätzlichen Einsatz einer Relaxationselektrode 19 in dem in Fig. 4 beschriebenen System. Durch die Relaxationselektrode 19 kann die Aktuationskraft und die Aktuationsgeschwindigkeit erhöht wer- den.

Die Anstiegszeiten von Aktuatoren mit Bucky-Papern bis zur halben (Fmax/2, weiß) und vollen (FmaX, schwarz) Ausdehnung sind für verschie- dene Elektrolyte in wässriger Lösung in Fig. 6 dargestellt. Besonders kurze Anstiegszeiten bis zur haiben und maximaten Ausdehnung werden in 1 m Na2S04, in 0,1 m Na2SO4sowie in 0,1 m Na2HPO4 und Na3P04 beobachtet.

Gemäß Fig. 7 werden in 1 m KCI und 1 m Na2S04 die größten Maximal- kräfte erzielt. Nur etwa die Hälfte der Maximalkraft mit 1 m KCl wird mit 1 m K2SO4erreicht. Bei niederen Elektrolykonzentrationen geht die Ma- ximalkraft deutlich zurück.

Der Graph gemäß Fig. 8 zeigt die Kraftänderung/Volumen bei positiver Konnektierung (Bereich 1), anschließender Diskonnektierung (Bereich 2), anschließender negativer Konnektierung (Bereich 3) und abschlie- ßender Diskonnektierung (Bereich 4), jeweils der Bucky-Paper Schich- ten. Bei negativer Konnektierung der Bucky-Paper Schichten wird eine weitaus größere Kraftänderung beobachtet.

Fig. 9 zeigt die Kraftänderung in Abhängigkeit von der Zeit für Multilayer mit verschiedenen Kontaktierungen. Der Graph belegt, dass die beste Anordnung in dem Multilayer Bucky-Paper/Kontaktierungsschicht/Bucky- Paper/Kontaktierungs schicht usw. ist. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Steifheit der Kontaktierungsschicht die Aktuation positiv beeinflusst. Andere Möglich- keiten, wie Kontaktierungsschicht/Bucky-Paper/Bucky- Paper/Kontaktierungsschicht zeigen keine so guten Werte.

Fig. 10 zeigt die Aktuationsamplitude in Na2SO4 als Funktion der Zeit.

An Bucky-Paper wurde 0,8 V/5 mA angelegt und nach Erreichen der Ma- ximalkraft nach 5 min. getrennt. Anschließend wurde nach 10 Minuten wieder Spannung angelegt. Der Graph zeigt, dass die Aktuation reprodu- zierbar ist (zwei Wellen). Zum Erreichen der Maximalkraft benötigt ein 0,1 mm dickes Bucky-Paper 5 Minuten. Die Maximalkraft von 0,12 N wird ohne Überschwingen erreicht.

Fig. 11 zeigt ein Anwendungsbeispiel des Aktuators in der Medizintech- nik (Impiantattechnik). Der Multiiayer-Aktuator 21 (ansLeile des Multifa- gen-Aktuators kann in Abhängigkeit der erforderlichen Kraft auch ein Einschicht-Bucky-Paper eingesetzt werden) befindet sich beidseitig der künstlichen Linse 22 eines Auges und ist mit der Linse durch Klemmen verbunden. Mittels eines elektrischen Steuergeräts 23 erfolgt eine Län- genveränderung der Bucky-Papers, die die Linse-wie in der rechten Abbildung dargestellt-gegenüber dem Zustand in der linken Abbildung verändert und somit eine Fokussierung des Lichtes auf den Sehnerv er- möglicht.

Die Fig. 12-14 zeigen Gegenüberstellungen verschiedener Aktuatoren in Bezug auf die Ausdehnung, zulässige Höchsttemperatur und Versor- gungsspannung. (IPMC und IPM sind Polymeraktuatoren, Shape Memory Alloys sind Formerinnerungsmetalle). Die Nanotube-Aktuatoren zeichnen sich durch extreme Temperaturbeständigkeit und die geringste Versor- gungsspannung aller bislang bekannten Systeme aus. Die Ausdehnung des Nanotubes ist im Vergleich zu anderen Systemen zwar gering. Aller- dings bewirkt die vergleichsweise geringe Ausdehnung des Nanotube- Systems aufgrund der Hebelgesetze eine weitaus größere Kraft als die, die in Systemen in hoher Ausdehnung, wie beispielsweise Polymere, be- obachtet wird.