《AFM》:用于电化学装置的有机半导体纳米管!低功耗、快速响应、稳定 2024-08-04 20:23:00 离子在生物体的生命中起着关键作用,特别是对于收缩细胞产生肌肉变形和/或运动所必需的神经信号转导。受生物肌肉功能的启发,有关离子移入/移出电极(例如,离子聚合物-金属复合材料)的人工肌肉在仿生技术中得到了极大的关注。软离子致动器,也被称为电化学致动器,通过可逆插层和去插层在外加电压(低于1V和高达几伏)的情况下产生致动变形。这类致动器在软机器人、人造肌肉、自动聚焦透镜和生物医学设备中的各种应用已被广泛研究。通过电化学过程将电能转化为机械能的电化学装置有许多应用,从机器人和微泵到微透镜和生物电子学。到目前为止,大变形应变和快速响应的实现仍然是电化学驱动器的挑战,其中阻力限制了器件的运动,电极材料/结构限制了离子的传输。来自休斯顿大学的学者报道了由有机半导体(OSNTs)制成的电化学致动器、电化学传质和电化学动力学的研究结果。OSNTs器件表现出高性能,在液体和凝胶聚合物电解质中具有快速的离子传输和积累。该器件具有低功耗/低应变、大变形、快速响应和良好的驱动稳定性等优异性能。这种优异的性能源于纳米管巨大的有效表面积,它促进了离子的传输和积累,从而产生了高的电活性和耐久性。通过对变质量系统的运动和质量输运的实验研究和理论分析,建立了该装置的动力学模型,并引入了OSNTs的Euler-Bernoulli方程的修正形式。最终,展示了一种由多个微执行器组成的最先进的小型化装置,可用于潜在的生物医学应用。这项工作为下一代执行器提供了新的机会,这些执行器可以用于人造肌肉和生物医学设备。相关文章以“Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices”标题发表在Advanced Functional Materials。论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202105358 图1| OSNTs器件的制作与表征。A)示意图说明了执行器的分层设计。B)OSNTs致动器的分步制造工艺 图2.循环伏安法对OSNTs器件的电化学驱动。A)示意图表示氧化还原过程中激活OSNTs时的离子传输和由此产生的弯曲运动。B,C)复合光学显微照片,显示了OSNTs致动器在液体和凝胶电解质中以10 mV s-1的扫描速率循环伏安一个完整循环的可逆弯曲变形。D,E)循环伏安图,F,G)质量通量,以及H,I)在含0.1M NaPSS的液体和凝胶电解质中,在10 mV s-1(蓝色正方形),50 mV s-1(绿色圆圈),100 mV s-1(红色向上三角形)和200 mV s-1(黑色向下三角形)的不同扫描速率下,OSNTs致动器的尖端位移随电位的变化而变化。 图3.OSNTs器件在不同CV扫描速率下的电化学-机械响应。A,B)复合照片显示在A)液体和B)凝胶电解质中,以10、50、100和200 mV s-1的不同扫描速率进行CV循环时,尖端的最大偏转发生在A)液体和B)凝胶电解质中。C-I)在液体(黑色)和凝胶(红色)电解质中循环时OSNTs致动器响应随扫描速率的变化,包括:C)质量流入,D)电荷存储密度,E)最大位移,F)最大应变,G)最大速度,H)响应时间,以及I)致动力(±SEM,n=5)。J)液体和K)凝胶电解质在10 mV s-1(蓝色正方形)、50 mV s-1(绿色圆圈)、100 mV s-1(红色向上三角形)和200 mV s-1(黑色向下三角形)不同扫描速率下的驱动力-位移曲线。 图4.高性能OSNTs器件的长期评估。A)与不同类型的软电化学驱动器相比,OSNTs驱动器的功耗/应变百分比。B)在200 mV s-1(连续工作25h)下,超过15000次激励的OSNTs驱动器的弯曲稳定性(δ/δ0)。在200 mV s-1的扫描速率下,扫描1000次,C)驱动前和D)驱动后的扫描电镜照片。E、F)在200 mV s-1的扫描速率下致动1000次后致动器横截面的光学显微照片。综上所述,本研究提出了一种新的、通用的设计和开发电化学装置的方法,它以OSNTs为主要成分,能够在液体和凝胶聚合物电解质中工作。该器件具有低功耗/应变、大变形、快速离子传输/积累、动力学可调和良好的驱动稳定性等优异的电化学特性。这种高性能归因于OSNTs巨大的比表面积、大的离子交换和积累、低的弹性模量、高的电荷存储密度和大的比电容。通过利用这些令人印象深刻的特点,本文设计并制造了一种由多个基于OSNTs的微执行器组成的小型化移动装置,这些微执行器可以同时单独控制。通过对变质量物体系统的运动和质量输运的实验研究和理论分析,建立了OSNTs驱动器的动力学模型,并引入了一种修正形式的欧拉-伯努利挠度方程用于OSNTs驱动器。可以配制各种化学衍生和功能化的有机半导体,以进一步提高该器件的电化学-机械性能,超越电化学性能。考虑到这些成就以及OSNTs和OSNFs的广泛应用,本文预计基于OSNTs的电化学设备将被用于软机器人、人造肌肉、生物电子和生物医学设备领域的下一代执行器的发展。(文:SSC) 赞 (0) 相关推荐 利用超分子识别的电化学感应 传统的超分子体系(关于超分子的概述,请参考分子胶囊的设计)主要依靠氢键和静电相互作用,并借此实现阴离子的选择性识别. 在过去的几十年间,阳离子感应与识别系统已经得到了相当好的发展,但是,阴离子的识别却 ... 一文读懂碳基柔性材料 首先碳基柔性材料是根据柔性电子应运而生的.它是将无机/有机器件附着于柔性基底上,形成电路的技术.相对于传统硅电子,柔性电子是指可以弯曲.折叠.扭曲.压缩.拉伸.甚至变形成任意形状但仍保持高效光电性能. ... 陈根:可穿戴新突破:锂离子电池做成储能织物 陈根 知名科技作家为你解读科技与生活的方方面面.09-07 10:24 文|陈根 很多时候,人们出门会遇到手机没电,又忘记携带充电宝和充电器的情况,这给生活带来了一定不便.如果有这样一件衣服,它看起来 ... 吕坚院士团队《AFM》:一种纳米海绵结构高熵金属玻璃合金催化剂 发展高效.耐用的碱性和酸性析氢电催化剂对未来氢经济的发展至关重要.然而,目前最先进的高性能电催化剂都是以结合贵金属为载体的碳载体为基础的,其复杂的加工方法是阻碍其商业化的主要原因. 来自新南威尔士 ... Science Advances:科学家开发了一种声流体离心设备用于富集和分离纳米颗粒 杜克大学的研究人员通过声波旋转单个液滴来浓缩和分离微小纳米颗粒,这种新的类似离心机的设备可在不到一分钟的时间内浓缩并分离出生物医学上重要的纳米颗粒,包括外泌体. 杜克大学的工程师已经设计出一种方法, ... 郑大《AFM》:水分诱导纳米晶体可逆相变,实现高级防伪! 导读:具有水致变色特性的智能荧光材料在防伪领域表现出巨大的应用潜力.本文中,作者证明了Cs3Cu2I5纳米晶的水致变色特性,并将其与抗水的Cs3Cu2I5@PMMA结合制备了多重加密的防伪图案 ... 吉林大学《AFM》:一种用于高效分解水通用电催化剂的纳米片! 由来自可再生和丰富的太阳能和风能资源的电力驱动的电化学水分解是水循环的能量框架中的一种重要的能量转换技术,通过利用氢气作为清洁和高密度的能量载体来替代化石燃料以满足未来的能量需求,这满足了可持续和无温 ... 《AFM》一种用于柔性超级电容器的3D多孔蜂窝状纳米片集成电极 随着人类生活质量的快速提高,便携式和可穿戴电子设备的发展变得越来越迫切.清洁高效的新型储能设备是其核心部件.其中,柔性超级电容器(SCs)因其超高功率密度.长循环寿命.柔性.安全性和高效率而引起了最大 ... 电子科大《AFM》:金字塔形纳米阵列的有效应力耗散用于钠储存 钠离子电池由于钠(Na)资源丰富且成本低廉,已成为具有竞争力的锂离子电池替代储能系统.目前,是发展实用化的核心挑战之一储钠技术是高性能负极材料的设计.虽然碳质材料和钛基氧化物等嵌入型阳极具有稳定的结构 ... 【催化】日本大阪大学Takato Mitsudome开发出用于麦芽糖加氢制备麦芽糖醇的磷化镍纳米合金催化剂 麦芽糖催化加氢是一种简便可靠合成麦芽糖醇的方法.麦芽糖醇作为甜味剂和食品添加剂被广泛使用,是继山梨糖醇之后需求量最大的糖醇.麦芽糖醇的选择性合成具有挑战性,因为与每个碳水化合物相连的糖苷键在酸性或加热 ... 用于电磁干扰屏蔽应用的石墨烯/聚合物纳米复合材料 由于电子元件的扩散和小型化,减轻电磁污染正成为一个日益严重的问题.为了实现电磁兼容,必须考虑电磁干扰(EMI)屏蔽,而屏蔽效率(SE)的分析是至关重要的.与传统金属基材料相比,石墨烯增强聚合物复合材料 ... Cover story:脂质纳米颗粒用于mRNA递送和肿瘤成像 以信使RNA (mRNA)为基础的治疗方法近年来在治疗许多由蛋白质表达异常引起的疾病方面得到了广泛的关注,从遗传性疾病到侵袭性癌症.mRNA的应用包括蛋白质替代治疗.癌症免疫治疗.疫苗接种和基因编辑. ...