Gegenstand der Erfindung ist ein Aktor, insbesondere ein Transla- tions- oder Biegeaktor, auf der Basis elektrisch und mechanisch kontaktierter geometrisch anisotroper Nanopartikel, insbesondere Röhrchen oder Fasern mit Durchmessern im Nanometerbereich, beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhrchen, gemäß des ersten Patentan¬ spruchs.

Aktoren dienen der direkten Umsetzung von elektrischer Energie in eine mechanische Stellbewegung und bilden damit wesentliche Bauelemente für viele technische Systeme, insbesondere in der Robotik oder Schalttechnik.

Aktoren der eingangs genannten Art basieren auf sog. elektrome- chanischen Funktionsmaterialien. Bei derartigen Materialien stehen eine Änderung der Gestalt oder der mechanischen Eigenschaften in direkter Wechselwirkung zu einem anliegenden elektrischen Strom, einem elektrischen Feld oder einer elektrischen Spannung. Typische Vertreter dieser Aktoren basieren auf piezoelektrischen oder elektrostriktiven Materialien.

Ein neues und besonders interessantes Konzept stellen Aktoren mit Nanoröhrchen dar. In diesen kommen Röhren (Hohlzylinder) mit Durchmessern im Nanometerbereich aus Kohlenstoff (carbon nanotubes = CNTs) in einem Elektrolyten als aktive Elemente zur Erzeugung einer Aktorbewegung zum Einsatz. CNTs sind außergewöhnlich thermisch und chemisch stabil. Die Länge von CNTs betragen ca. 100 nm bis weit über 100 μm. Werden über eine Spannungs- oder Stromquelle Ladungen in die CNTs injiziert, so bildet sich mit den Elektrolytionen eine elektrochemische Doppelschicht. Durch diese Doppelschicht verändert sich die Länge der kovalenten Bindungen zwischen den Kohlenstoff¬ atomen und damit die Länge und der Durchmesser der CNT.

Der spezifische elektrische Widerstand von metallischen und halb¬ leitenden CNTs (abhängig von der Ausrichtung der hexagonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse = Helizität) unterscheidet sich signifikant voneinander. Metallische CNTs weisen bei idealer Betrachtung praktisch keinen spezifischen elektrischen Widerstand auf, da die Elektronen im Nanoröhrchen nahezu ballistisch, d.h. ohne Streuungsverluste, geleitet werden. Wird ein derartiger CNT jedoch mit Metallkontakten kontaktiert, so entsteht an jeder Kontaktstelle ein Übergangswiderstand im kΩ-Bereich. Bei halbleitenden CNTs hängt der spezifische Widerstand von der angelegten Spannung ab, wobei dieser im Bereich von ca. -0,5 V bis 0,5 V je nach Kontaktierung einige MΩ beträgt. Die Strom- / Spannungskennlinie ist im Bereich von etwa -1 V bis 1 V nichtlinear. Durch Anlegen einer Gatespannung über eine dritte Elektrode an einem halbleitenden CNT ähnlich wie in einem Feldeffekttransistor ist diese Nichtlinearität der Kennlinie unterdrückbar und der spezifische Widerstand reduzierbar.

Die Zugfestigkeit von CNTs liegen bei 30.000 N/mm2 (im Vergleich: hochfester Stahl: ca. 1.900 N/mm2, hochfeste Kohlenstofffasern: ca. 4.900 N/mm2) , wobei eine Bruchdehnung (im Zugversuch) von über 5 % erreicht wird.

Grundsätzlich sind zwei Bauformen von CNTs geläufig, nämlich ein¬ wandige (single-walled carbon nanotubes, SWCNTs) und mehrwandige (multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs) .

Einwandige CNTs (SWCNTs-) , beschrieben in [1] bis [3] , sind nahtlose Hohlzylinder, die aus einer um die Röhrenachse aufgewickelten Graphitschicht bestehen. Sie sind je nach Orientierung der hexa- gonalen Struktur des Graphitgitters zur Röhrenachse (Helizität) metallisch leitend oder halbleitend. SWCNTS formieren sich bevorzugt zu Rohrcluster mit einer Vorzugsausrichtung, wobei die einzelnen SWCNTs über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Eine zuverlässige Aussage über elektrischen Eigenschaften von SWCNT- Cluster ist derzeit nicht möglich, da die einzelnen SWCNTs keine einheitlichen Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Die elektrischen Eigenschaften von CNT- Cluster hängen auch davon ab, welche SWCNTs (metallische oder halbleitende) eines Rohrclusters elektrisch kontaktiert werden. Die Durchmesser von SWCNTs liegen im Bereich von 0,4 bis 5 nm.

Mehrwandige CNTs (MWCNTs), erwähnt beispielsweise in [3], bestehen hingegen aus mehreren koaxial ineinander angeordneten einwandigen CNTs unterschiedlichen Durchmessers. Auch hier ist eine Aussage über die elektrischen Eigenschaften problematisch, da die einzelnen SWCNTs einer MWCNT grundsätzlich unterschiedliche Helizitäten und damit unterschiedliche elektrische Eigenschaften aufweisen. Zudem ist der Zugang des Elektrolyten praktisch nur zu dem außen liegenden CNT ungehindert möglich. Wie bei SWCNT- Clustern spielt es auch hier eine Rolle, welche CNTs (metallische oder halbleitende) einer MWCNT elek¬ trisch kontaktiert sind. Übliche Außendurchmesser von MWCNTs liegen im Bereich von 1,4 bis 200 nm.

Der E-Modul von einzelnen SWCNTs (metallischen und halbleitend) beträgt ungefähr 1.000.000 N/mm2 (im Vergleich: Stahl bei ca. 210.000 N/mm2) . Er ist grundsätzlich größer als der von SWCNT-Clustern, da die einzelnen CNTs in einem Cluster nur über van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Der E-Modul von MWCNTs wird dagegen durch Krafteinleitung in den MWCNT beeinflusst und erreicht maximal die Werte einzelner SWCNT. Wird die Kraft idealisiert über dieselbe Röhre eines MWCNT ein- und ausgeleitet, so ist der E-Modul mit dem einer SWCNT vergleichbar. Wird die Kraft über unterschiedliche SWCNTs ein- und ausgeleitet, so entsteht ein teleskopartiges System, dessen E- Modul sich nicht sinnvoll ermitteln lässt.

Aufgrund dieser Eigenschaften sind CNTs für Aktoren insbesondere für Anwendungen in der Mikrosystem-, Medizin- oder Nanotechnologie sowie für biomedizinische Anwendungen (z.B. als künstlicher Muskel) interessant. Derartige Aktoren weisen insbesondere folgende interessante Eigenschaften auf: • Großer reversibler Dehnungsbereich der aktiven Elemente des elektrisch angesteuerten unbelasteten Aktors (bis ca. 1,6 %) be¬ reits bei geringen elektrischen Spannungen (ca. 1 V) und geringe Ansteuerströmen, d.h. ein hoher Wirkungsgrad • Hohe Dynamik erzielbar • Linearer Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrößen • Hoher Elastizitätsmodul der aktiven Elemente, dadurch hohe Aktorkräfte erzielbar • In festen und flüssigen Elektrolyten funktionsfähig • Integrierbar in Materialien (Smart Materials) • Skalierbar über geeignete AVT (Aufbau- und Verbindungstechniken) • Hohe Lebensdauer • Anwendungen auch bei höheren Temperaturen (bis ca. 1000 0C) • Hohe volumetrische und gravimetrische Arbeitskapazitäten

[4] beschreibt beispielsweise ein entsprechendes Aktorkonzept, bei dem eine Vielzahl von CNTs zu einer makroskopischen Schicht, der sog. „Bucky-Paper"-Schicht als aktive Elektrode des Aktors zusammengefasst, d. h. gebündelt ist. Dabei weisen die CNTs hierin eine eindeutige Vorzugsrichtung auf. Es werden auf dieser Basis Translations- und Biegeaktoren vorgeschlagen.

In [3] werden für das Einbringen einer Vorzugsrichtung von CNTs zudem für die Ausrichtung der Nanoröhrchen bekannte- physikalische oder chemische Methoden vorgeschlagen, beispielsweise durch elektrische, magnetische und/oder elektromagnetische Felder und / oder unter Einfluss von Ultraschall in einer sedmentierenden Tensidsuspension.

Derartige Aktoren weisen mit dem verwendeten Bucky-Paper eine im Vergleich zu den einzelnen CNTs extrem hohe Nachgiebigkeit (ca. um den Faktor 2200 höhere) auf. Ein derartiger Aktor ist mechanisch auch bei weitem nicht so belastbar. Folglich ist auch mit einer starken Abhängigkeit der Aktordehnung von den am Aktor angreifenden Kräften zu erwarten, sowie prinzipbedingt ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Spannung und Dehnung und auftretende Hysterese des Dehnungsverhaltens. Außerdem erfolgt der Zugang der Elektrolytionen zu den CNTs im Innern des Bucky-Papers im Vergleich zu den außen liegenden CNTs erst verzögert, was auch in Verbindung mit der geringen elektrischen Leitfähigkeit' von Bucky-Paper die maximal möglichen Ausschlagfrequenzen der Aktoren einschränkt, aber auch zu einer höheren Verlustwärme und zu einer geringer Aktordehnung führt. Ferner ist auch mit Umstrukturierungs- und Setzungsvorgängen im relativ lockeren Bucky-Paper-Gefüge und damit verstärkt mit zyklenabhängigier Degradationseffekten der Aktoren zu rechnen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Aktorkonzept auf der Basis von geometrisch anisotropen Nanopartikeln, insbesondere Nanoröhrchen wie CNTs vorzuschlagen. Insbesondere soll der Aktor hinsichtlich höherer Aktorkräfte, Belastbarkeit, Steifigkeit, Dehnung und Ausschlagfrequenzen verbessert werden.

Die Aufgabe wird durch einen Aktor gemäß des ersten Patentanspruchs gelöst. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen wieder.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung besteht darin, idealer weise alle, vorzugsweise mindestens 80 % oder besser noch 90 % der Nanopartikel oder -röhrchen, insbesondere CNTs, im Aktor in eine Vor¬ zugsrichtung, vorzugsweise parallel zueinander mit einer maximalen Winkelabweichung von ±20°, zu Partikelreihen oder Partikelbündel auszurichten und über Stege, die sich vorzugsweise senkrecht zur genannten Ausrichtung erstrecken, elektrisch und mechanisch miteinander fest zu verbinden (Aktorschicht) . In der Zug- bzw. Druck¬ beanspruchungsrichtung können weiterhin mehrere solcher Aktorschichten hintereinander angeordnet sein.

Als Nanopartikel eignen sich grundsätzlich alle Materialien, auf dessen Oberfläche sich in einem Elektrolyten eine Doppelschicht ausbildet. Eine derartige Doppelschicht bewirkt eine Änderung der Gitterabstände und damit eine Formänderung der Nanopartikel. Ein Einfluss ist grundsätzlich bei allen Verbindungsarten zu beobachten. Der besondere Vorteil von CNTs oder anderen Nanoröhren liegt dabei im maximal möglichen Verhältnis von Oberfläche (mit Doppelschicht) zu Volumen und damit in einer optimalen Ausnutzung des zuvor genannten Effekts.

Ein weiteres wesentliches Detail der Erfindung betrifft dabei die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen. Die Verbindung bildet sich aus einem Reaktionsprodukt aus den Stegseitigen und Partikelseitigen Materialien, wobei diese als auch das Reaktionsprodukt eine elektrische Leitfähigkeit aufweist. Ferner ist jedes der Nanopartikel mit mindestens zwei Stegen verbunden, wodurch eine signifikante Erhöhung der Aktorsteifigkeit erzielbar wird.

Zur Herstellung der aktiven Elektrode wird beispielsweise eine Anzahl von Stegen auf ein Substrat aufgebracht und von einer Dispersion mit den Nanopartikeln umspült. Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung zwischen den Stegen werden die Nanopartikel über dielektrophoretische Kräfte entsprechend der elektrischen Feldlinien in gewünschter Art und Weise parallel zueinander auf den Stegen abgeschieden, wobei sie die Zwischenräume zwischen den Stegen überbrücken. In weiteren Schritten folgen ein Entfernen der überschüssigen Dispersion und eine elektrische Verbindung zwischen den Nanopartikeln und den Stegen über eine vorgenannte Reaktion.

Mehrere übereinander liegende Aktorschichten aus Stegen und Na¬ nopartikeln lassen sich auf verschiedener Weise realisieren, beispielsweise über ein einfaches Übereinanderschichten mehrerer Schichten oder durch Aufrollen oder Falten einer Schicht. Auch mehrmaliges Abscheiden von Nanopartikeln und Stegen an den ge¬ wünschten Kontaktstellen und durch Einleiten der zuvor genannten Reaktion (z.B. Glühen der Elektrode bei ca. 900 0C) führt zu dem genannten Schichtverbund.

Bei einer beispielhaften und nicht den Erfindergedanken ein¬ schränkenden Verbindung von CNTs (oder Kohlenstofffasern) mit Stegen bestehen die Stege aus einem Karbid bildenden Leitermaterial-, vor¬ zugsweise einem Metall, wobei sowohl das Leitermaterial als auch das Karbid kein elektrischer Isolator ist. Vorzugweise bestehen die Stege aus einem Übergangsmetall wie Titan oder aus Silizium. Alternativ weisen die Stege eine Beschichtung aus den genannten Materialien auf. Bei Temperaturen von ca. 900 0C bildet sich an den Kontaktstellen zwischen den CNTs und dem Steg durch eine Festkörperreaktion ein Me¬ tallkarbid, welches CNTs und Stege mechanisch belastbar und elekt¬ risch leitfähig miteinander verbindet. Ein auf diese Weise her- gestellter über elastische Elemente vorgespannter Aktor eignet sich nicht nur als Druckaktor, sondern in vorteilhafter Weise auch als Zugaktor, wobei eine elastische Vorspannung aufgrund der reduzierten Knickgefahr der CNTs nicht mehr erforderlich ist. Zur weiteren Ver¬ besserung der Kontaktierung können die Kontaktstellen auch zusätzlich nach der vorgenannten Abscheidung der CNTs mit zusätzlichem Metall der o. g. Art beschichtet werden, wodurch die Enden der CNTs nach der Festkörperreaktion völlig im Metallkarbid eingebettet sind, wobei sich auch hier ein nahezu vernachlässigbarer elektrischer Übergangswiderstand zwischen CNT und Steg einstellt.

Der Verbund aus Nanopartikel und Stegen bildet die aktive Elektrode des Aktors. Diese befinden sich wie auch ggf. eine Gegenelektrode in einem flüssigen oder festen Elektrolyt (Kochsalzlösung oder auch andere, in [1] bis [4] genannten) und sind an die Pole eine Spannungs- oder Stromquelle angeschlossen. Mit einer elektrischen Ansteuerung der Stege werden die Nanopartikel elektrisch aufgeladen. Es entsteht im Elektrolyten ein elektrisches Feld, welches elektrostatisch auf die Elektrolytionen wirkt und diese an Nanopartikel anbindet, wodurch sich eine elektrochemische Doppelschicht ausbildet und zu der signifikanten Längenänderung der Nanopartikel führt.

Da die Nanopartikel mechanisch mit den Stegen verbunden sind, ändert sich mit der Längenänderung auch der Abstand zwischen den Stegen, was als Aktorbewegung (Expansion oder Kontraktion) von außen an den Enden des Aktors abgegriffen werden kann. Die Stege können weiterhin über Elemente mit geringer Steifigkeit gegenüber einem Grundkörper fixiert und / oder mit elastischen Elementen vorgespannt sein.

Die Anzahl der vorgenannten senkrecht zur Zug- bzw. Druckbeanspru¬ chungsrichtung des Aktors übereinander angeordneten Aktorschichten beeinflusst in vorgenannter Weise direkt die Steifigkeit des Aktors. Die genannte vollständige oder nahezu vollständige Ausrichtung der Nanopartikel sowie die stoffschlüsseig Verbindung an die Stege bewirken in vorteilhafter Weise nicht nur eine besonders hohe Steifigkeit des Aktors, sondern bietet, da nur eine keine Fraktion der Nanopartikel ungeordnet ist, eine erheblich bessere Berechnungsgrundlage für eine zuverlässige Bestimmung der Aktor¬ eigenschaften. Steifigkeit, maximale Kraft und Stellweg des Aktors ist ferner durch die Anzahl und Dicke Schichten aus CNTs und Stegen.

Die besonderen Vorteile der Erfindung sind zusammengefasst folgende: Größeres Dehnungsvermögen bei gleichen Aktorabmessungen oder gleichgroßes Dehnungvermögen bei kleineren Aktorabmessungen Besonders hohe Stellkräfte und Belastbarkeit - Besonders hohe Stellfrequenzen und -geschwindigkeiten Besonders geringe Langzeitdegradation Besonders hohe Aktorsteifigkeit, dadurch geringere Abhängigkeit der Dehnung von den am Aktor angreifenden Kräften Linearer und kalkulierbarer Zusammenhang zwischen Aktoreingang (elektrische Spannung oder Strom) und Aktorausgang (Dehnung oder Biegung bzw. Kraft oder Biegemoment) Effizienterer Materialeinsatz Höherer Wirkungsgrad

Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 a und b die aktive Elektrode des Aktors in zwei Ansichten,

Fig. 2 eine Detailaufnahme der Verbindung zwischen CNT und Steg,

Fig. 3 den prinzipiellen Aufbau eines Translationsaktors sowie

Fig. 4 den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors.

Das Kernstück der Erfindung, die aktive Elektrode zeigen Fig. 1 a und b, wobei Fig. 1 b eine Schnittdarstellung der aktiven Elektrode entlang der Linie A - A (vgl. Fig. 1 a) wiedergibt. Diese besteht aus mehreren Aktorschichten 1, umfassend eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneter CNTs 2 und orthogonal zu diesen angeordneten Stegen 3. Die aktive Elektrode ist in der dargestellten Ausführungsform mit einem Ende über einen Steg mit einem Festlager 4 verbunden und führt über sein freies Ende, vorzugsweise ebenfalls durch einen Steg als Endstück 5 gebildet, die Aktorstellbewegung 6 durch. Ferner sind in Fig. 1 a elastische Elemente 7 für die Vorspannung eines Druckaktors und zur Führung der Stege 3 wiedergegeben.

Die CNTs sind in der aktiven Elektrode der dargestellten Ausfüh¬ rungsform nicht clusterförmig sondern vorzugsweise in einer Ebene parallel zueinander angeordnet (vgl. Fig. 1 b) . Hierdurch ist ein ungehinderter Zugang von Ionen des Elektrolyten sichergestellt, was mögliche Verzögerungen und Ungleichmäßigkeiten einer Stellbewegung erheblich reduziert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Detailvergrößerung eines Übergangs¬ bereichs zwischen einem CNTs und einem Steg, dargestellt in Fig. 1 b mit der Markierung B. Im Übergangsbereich trifft ein CNT 2 auf den Steg 3 aus einem Leitermetall, welches chemisch und lokal begrenzt am Kontaktpunkt zu einem Karbidbereich 8 umgewandelt wird. Der Karbidbereich dient der stoffschlüssigen und damit stabilen mechanischen und elektrischen Verbindung zwischen dem CNTs und dem Stegen.

Fig. 3 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung den Aufbau eines Translationsaktors vorzugsweise für lineare Stellbewegungen 6. Bei diesem sind sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 (passive elektrisch leitende Elektrode) des Aktors in einem gemeinsamen Elektrolyten 11 eingebracht und werden über eine Spannungs- oder Stromquelle 12 mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig elektrisch aufgeladen.

Fig. 4 zeigt dagegen den prinzipiellen Aufbau eines Biegeaktors vorzugsweise für Schwenkbewegungen. Auch hier befinden sich sowohl die aktive Elektrode 9 wie auch die Gegenelektrode 10 im Elektrolyten 11. Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Aktor ist bei dem dargestellten Biegeaktor auch die Gegenelektrode als Verbund aus CNTs und Stegen in vorgenannter Weise ausgeführt. Eine Spannungs- oder Stromquelle 12 dient der elektrischen Aufladung der Elektroden mit einem Potentialunterschied, vorzugsweise gegenpolig. Geringe elektrische Aufladungen bewirken in den beiden Elektroden Formänderungen mit unterschiedlichem Vorzeichen. Sind die beiden Elektroden, wie in Fig. 4 wiedergegebene mechanisch über ein elektrisch isolierendes Verbindungselement 13 miteinander gekoppelt, so führt der Aktor vergleichbar mit einem Bimetallstreifen eine Biegebewegung als Aktorstellbewegung 6 aus. Auch bei diesem Aktorkonzept lassen sich Steifigkeit und die maximale Kraft und Dehnung durch die oben beschriebenen Maßnahmen beeinflussen.

Für die Realisierung von Aktoren, insbesondere der beschriebenen Ausführungsformen sind grundsätzlich alle Typen von CNTs verwendbar, und zwar sowohl einzelne metallische SWCNTs, einzelne halbleitende SWCNTs, Gemisch aus einzelnen metallischen und einzelnen halbleitenden SWCNTs, SWCNT-Cluster wie auch MWCNTs und Mischungen aus SWCNTs und MWCNTs. Wichtig ist jedoch ein synchrones (mikroskopisches) oder quasisynchrones (makroskopisches) Ausdeh¬ nungsverhalten bei Injektion von Ladungen in die CNTs. Die genannten CNT-Typen unterscheiden sich insbesondere und wie eingangs erläutert im spezifischen elektrischen Widerstand und im E-Modul. In Bezug auf den E-Modul ist danach die Verwendung von einzelnen SWCNTs oder von richtig kontaktierten MWCNTs für einen Aktor mit hoher Steifigkeit, großer kraft und Dehnung sinnvoll.

Da es für die Ausnutzung der elektromechanischen Eigenschaft von CNTs notwendig ist, diese elektrisch aufzuladen und da ein linearer Zusammenhang zwischen Eingangsgröße (Strom oder Spannung) und Aus¬ gangsgröße (Dehnung / Biegung bzw. Kraft / Biegemoment) ohne zu¬ sätzlichen Aufwand wünschenswert ist, ist aus dieser Sicht die Verwendung von metallischen SWCNTs für den Aktor zu bevorzugen. In Bezug auf E-Modul und spezifischer elektrischen Widerstand sind daher einzelne metallische SWCNTs für die Realisierung eines Aktors mit den oben beschriebenen Eigenschaften besonders günstig, was eine Verwendung der anderen aufgeführten CNT-Arten jedoch nicht aus¬ schließt. Als Elektrolyte kommen alle Ionenträger, insbesondere aber wässrigen Salzlösungen mit Alkalimetallionen und Halogenidionen (z.B. Kochsalzlösung) , Festkörperelektrolyte, verdünnte Schwefelsäure oder wässrige KOH-Lösung in Frage. Literatur

[1] R.H.Baughman et al.: Carbon Nanotube Actuators; Science, Vol. 284 (21 May 1999) S.1340-1344 [2] G. Sun et al. : Dimensional Changes as a Function of Carge In- jection in Single-Walled Carbon Nanotubes; J. Am. Chem. Soc. 124 (2002) S.15076-15080 [3] DE 102 44 312 Al [4] WO 00/50771 Bezugszeichenliste

1 Aktorschicht 2 Geometrisch anisotropes Nanopartikel, Nanoröhrchen, CNT 3 Steg 4 Festlager 5 Endstück 6 Stellbewegung, Wirkrichtung 7 Elastische Elemente 8 Karbidbereich 9 Aktive Elektrode 10 Gegenelektrode 11 Elektrolyt 12 Elektrische Spannungs- oder Stromquelle 13 Verbindungselement