《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器

非金非土非木

2021年8月2日 11:51

【摘要】

通過電化學(xué)過程將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電化學(xué)裝置有許多應(yīng)用，從機(jī)器人和微泵到微透鏡和生物電子學(xué)。迄今為止，實(shí)現(xiàn)大變形應(yīng)變和快速響應(yīng)對(duì)于電化學(xué)致動(dòng)器仍然具有挑戰(zhàn)性，其中阻力限制了器件運(yùn)動(dòng)，電極材料 /結(jié)構(gòu)限制了離子傳輸。最近，休斯頓大學(xué) Mohammad Reza Abidian 教授團(tuán)隊(duì) 報(bào)告了由有機(jī)半導(dǎo)體 (OSNT) 制成的電化學(xué)致動(dòng)器、電化學(xué)傳質(zhì)和電化學(xué)動(dòng)力學(xué)的結(jié)果。

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖1

OSNTs 器件在液體和凝膠聚合物電解質(zhì)中具有快速離子傳輸和積累的高性能。該器件表現(xiàn)出令人印象深刻的性能，包括低功耗/應(yīng)變、大變形、快速響應(yīng)和出色的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。這種出色的性能源于納米管的巨大有效表面積，可促進(jìn)離子傳輸和積累，從而產(chǎn)生高電活性和耐久性。運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究與可變質(zhì)量系統(tǒng)的理論分析一起被利用，以建立設(shè)備的動(dòng)力學(xué)，并引入 OSNT 的歐拉-伯努利方程的修改形式。最終，展示了由多個(gè)微致動(dòng)器組成的最先進(jìn)的小型化設(shè)備，用于潛在的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。這項(xiàng)工作為可用于人造肌肉和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的下一代執(zhí)行器提供了新的機(jī)會(huì)。相關(guān)論文以題為 Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices 發(fā)表在《 A dvanced Functional Materials 》上。

【主圖導(dǎo)讀】

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖2

圖1 OSNTs 器件的制造和表征。 A) 示意圖說明了執(zhí)行器的分層設(shè)計(jì)。(B) OSNTs 致動(dòng)器的逐步制造過程：從蓋玻片作為載體基板開始，上面覆蓋有 aa) 頂部可移除的雙面膠帶，b) 聚丙烯 (PP) 薄膜（30 μ m 厚）的附著) 到可移除膠帶，在 c) PP 薄膜上濺射一薄層 Au（約 0.3 μ m 厚，圖 S4，支持信息），d) 在 Au 層上電紡模板 PLLA 納米纖維，在電紡 PLLA 周圍電沉積 OS納米纖維。e) 去除 PLLA 納米纖維以形成 OSNT，最后 f) 將構(gòu)建的致動(dòng)器從可拆卸膠帶和載體基板上分離。C) 在模板 PLLA 納米纖維靜電紡絲和在模板納米纖維周圍電沉積OS之后去除模板以形成 OSNT 后鍍金基材的照片。D) 電紡 PLLA 模板納米纖維的掃描電子顯微照片。E) OSNT 的掃描電子顯微照片。F、G) OSNTs 層的橫截面掃描電子顯微照片。

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖3

圖2 使用循環(huán)伏安法對(duì) OSNT 器件進(jìn)行電化學(xué)驅(qū)動(dòng)。 A) 示意圖表示在氧化還原過程中 OSNT 驅(qū)動(dòng)中的離子傳輸和由此產(chǎn)生的彎曲運(yùn)動(dòng)。B,C) 復(fù)合光學(xué)顯微照片顯示在循環(huán)伏安法期間，OSNTs 致動(dòng)器在液體和凝膠電解質(zhì)中的可逆彎曲變形，掃描速率為 10 mV s ^–1 一個(gè)完整循環(huán)。箭頭表示連續(xù)還原 (R) 和氧化 (O) 過程中的彎曲方向。OSNT 沉積在致動(dòng)器梁的左側(cè)。D、E) 循環(huán)伏安圖、F、G) 質(zhì)量通量和 H、I) OSNTs 執(zhí)行器的尖端位移作為 CV 循環(huán)過程中在包含 0.1 m NaPSS 的電位范圍內(nèi)的電位范圍內(nèi)的電位函數(shù)+0.4 V（相對(duì)于 Ag/AgCl）在 10 mV s ^–1 （藍(lán)色方塊）、50 mV s ^–1 （綠色圓圈）、100 mV s ^–1 （紅色向上三角形）和 200 mV s ^–1 的不同掃描速率下（黑色向下三角形）。

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖4

圖3 OSNTs 器件在各種 CV 掃描速率下的電化學(xué)機(jī)械響應(yīng)。 A、B) 復(fù)合照片說明在 A) 液體和 B) 凝膠電解質(zhì)中以 10、50、100 和 200 mV s ^–1 的不同掃描速率在 CV 循環(huán)期間發(fā)生的最大尖端偏轉(zhuǎn)。C-I) 在液體（黑色）和凝膠（紅色）電解質(zhì)中循環(huán)期間作為掃描速率函數(shù)的 OSNT 致動(dòng)器響應(yīng)，包括：C) 質(zhì)量流入，D) 電荷存儲(chǔ)密度，E) 最大位移，F(xiàn)) 最大值應(yīng)變，G）最大速度，H）響應(yīng)時(shí)間，以及 I）驅(qū)動(dòng)力。J, K) 10 mV s ^–1 （藍(lán)色方塊）、50 mV s ^–1 （綠色圓圈）、100 mV s ^–1 （紅色向上三角形）和 200 mV s ^–1 不同掃描速率下的驅(qū)動(dòng)力-位移圖（黑色向下三角形）在 J) 液體和 K) 凝膠電解質(zhì)中。

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖5

圖4 高性能 OSNT 設(shè)備的長期評(píng)估。 A) 與不同類型的軟電化學(xué)執(zhí)行器相比，OSNT 執(zhí)行器的功耗/應(yīng)變百分比。B）OSNTs 致動(dòng)器在 200 mV s ^–1 （連續(xù)運(yùn)行 25 小時(shí)）下超過 15000 次致動(dòng)的彎曲穩(wěn)定性（δ/δ0）。δ ₀ 對(duì)應(yīng)于第一個(gè)周期的致動(dòng)器偏轉(zhuǎn)，δ 是第 n 個(gè)周期的偏轉(zhuǎn)。插圖表示在液體和凝膠電解質(zhì)中前 1000 次驅(qū)動(dòng)內(nèi)最大尖端偏轉(zhuǎn) (δmax) 的樣品變化。在液體和凝膠電解質(zhì)的驅(qū)動(dòng)過程中，δmax 沒有顯著差異（p > 0.05）。以 200 mV s ^–1 的掃描速率驅(qū)動(dòng) 1000 次之前和 D) 驅(qū)動(dòng)后的 OSNT C) 的掃描電子顯微照片。E、F）以 200 mV s ^-1 的掃描速率驅(qū)動(dòng) 1000 次后執(zhí)行器橫截面的光學(xué)顯微照片。

《AFM》休斯頓大學(xué)：用于電化學(xué)裝置有機(jī)半導(dǎo)體納米管致動(dòng)器的圖6

圖5 將 OSNT 設(shè)備用于可移動(dòng)神經(jīng)微探針的概念證明。 A、B) 探針的光學(xué)顯微照片，帶有使用標(biāo)準(zhǔn)光刻法制造的三個(gè)微懸臂梁。探針由三個(gè)鍍金微懸臂梁（用 P 標(biāo)記）、六個(gè)圓形電極位點(diǎn)（用 Q 標(biāo)記）和九個(gè)連接墊（用 R 標(biāo)記）組成。C) 使用引線鍵合組裝在印刷電路板上的微探針的照片。D) 在 200 V s ^-1 的 CV 下驅(qū)動(dòng)涂有 OSNT 的微懸臂梁。每個(gè)微懸臂梁都可以單獨(dú)控制以達(dá)到所需的運(yùn)動(dòng)范圍。E) 涂有 OSNT 的探針微懸臂梁的掃描電子顯微照片。

【總結(jié)】

這項(xiàng)研究提出了一種新的通用方法來設(shè)計(jì)和開發(fā)電化學(xué)裝置，以 OSNT 為主要成分，能夠在液體和凝膠聚合物電解質(zhì)中運(yùn)行。該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)特性，包括低功耗/應(yīng)變、大變形、快速離子傳輸/積累、可調(diào)動(dòng)力學(xué)和優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。這種高性能歸因于與大離子交換和積累、低彈性模量、高電荷存儲(chǔ)密度和大比電容相關(guān)的 OSNT 的巨大表面積。通過利用這些令人印象深刻的特性，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一個(gè)由多個(gè)基于 OSNT 的微致動(dòng)器組成的小型可移動(dòng)設(shè)備，這些微致動(dòng)器可以同時(shí)單獨(dú)控制。運(yùn)動(dòng)和質(zhì)量傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)研究以及具有可變質(zhì)量的身體系統(tǒng)的理論分析被用來建立致動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)，并為 OSNTs 致動(dòng)器引入歐拉-伯努利偏轉(zhuǎn)方程的修改形式。可以配制各種類型的化學(xué)衍生和功能化的有機(jī)半導(dǎo)體，以進(jìn)一步增強(qiáng)該器件的電化學(xué)機(jī)械性能，超越電化學(xué)性能。考慮到這些成就以及 OSNTs 和 OSNFs 的廣泛應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)基于 OSNTs 的電化學(xué)裝置將用于軟機(jī)器人、人造肌肉、生物電子學(xué)和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備。

參考文獻(xiàn) ：

doi.org/10.1002/adfm.202105358

經(jīng)典導(dǎo)讀：

1.《PNAS》西安交通大學(xué)盧同慶、哈佛大學(xué)鎖志剛院士：用于傷口閉合的水凝膠-網(wǎng)狀復(fù)合材料

2. 《Joule》東華大學(xué)武培怡：雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠熱電池具有非凡的韌性和高功率密度，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)熱量收集

3. 《Nature Catalysis》四川大學(xué)肖丹/德州大學(xué)余桂華:單原子聚吡咯水凝膠!

4. 《Science》下一代可穿戴電子設(shè)備！指尖上的創(chuàng)可貼，血糖指數(shù)不用愁！

5.《AFM》東華大學(xué)葉長懷/朱美芳院士：超強(qiáng)/高電導(dǎo)芳綸納米纖維/PVA/納米銀水凝膠

6. 《AFM》上交大崔文國，蘇州大學(xué)顧勇/陳亮：明膠氧化葡聚糖+生物活性玻璃納米顆粒，一體化協(xié)助骨折固定和愈合

7. 《Adv. Mater.》浙江大學(xué)陳東/高翔：有吸引力的 Pickering 乳液凝膠

8.《AFM》華中師大朱成周、武漢工程文靜：PdBi單原子合金氣凝膠用于高效乙醇氧化

9.《AM》長春應(yīng)化所賀超良、陳學(xué)思院士：兩性離子水凝膠包MOF膠囊，pH 響應(yīng)自分解，用于高效口服 Exendin-4 遞送

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