Bioinspireret MXene-baserede aktuatorer til programmerbare smartenheder

Under fotosyntesen, naturlige blade med detaljerede arkitekturer og funktionelle komponenter kan høste og konvertere solenergi til kemiske brændstoffer, der omdannes til energi. Den biologiske energiproduktion har givet materialeforskere et nyt bioinspireret paradigme til at producere mange autonome systemer, herunder lysudløst bevægelse. I en nylig rapport, Guofo Cai og kolleger på afdelingerne for materialevidenskab og teknik, Astronautisk videnskab og mekanik, og kemiteknik, udviklet en hidtil uset bilags aktuatorbase på MXene (Ti ₃ C ₂ T _x ) -cellulosekompositter (MXCC) og polycarbonat (PC) membraner.

Enheden efterlignede den sofistikerede arkitektur af et blad og viste energihøst- og konverteringsfunktioner, der ligner fotosyntese. Den dobbeltlagede aktuator indeholdt yderst ønskelige træk, herunder; multi-lydhørhed, aktivering med lav effekt, hurtig aktiveringshastighed, storformet deformation, robust stabilitet og programmerbar tilpasningsevne-velegnet til moderne bløde aktuatorbaserede smarte systemer. Cai et al. mener, at disse adaptive bløde systemer vil være attraktive som revolutionerende teknologier til at bygge bløde robotter, smarte kontakter, til informationskryptering, infrarød dynamisk display, camouflage og temperaturregulering. De forestiller sig yderligere anvendelser af teknologien til at udvikle grænseflader mellem mennesker og maskiner, såsom haptics. Undersøgelsen er nu offentliggjort i Videnskab fremskridt .

Materialeforskere har undersøgt materialer og enheder, der dynamisk ændrer form, størrelse og elektriske/mekaniske egenskaber som reaktion på eksterne stimuli til en række forskellige applikationer. Sådanne enheder har vigtige funktioner som aktuatorer, kunstige muskler, inden for robotteknologi, som energiproducenter, sensorer og smarte gardiner. Forskere har ydet en betydelig indsats for at udvikle smarte aktuatorer baseret på en række forskellige aktive materialer, såsom carbon nanorør og grafen, form hukommelsespolymerer, geler, konjugerede polymerer og flydende krystalelastomerer samt keramik og legeringer.

En række miljømæssige stimuli såsom fugtighed, temperatur, elektricitet, lys og pH kan udløse fysiske ændringer af disse materialer. Men det er i øjeblikket svært at øge hastigheden på aktivering og opskalering af formændringer på grund af dårlig mekanisk og termisk ustabilitet, der begrænser deres kapacitet. Bygger en smart aktuator, der reagerer på forskellige stimuli såsom fugtighed, elektricitet, varme eller lys med hurtig aktivering, storformet deformation, programmerbar tilpasningsevne og robust stabilitet er derfor yderst ønskeligt. For at bygge nye og forbedrede materialegenskaber, materialeforskerne skal derfor undersøge tidligere uidentificerede kombinatoriske materialer og rationelt designe enhedskonfigurationer for at opfinde højtydende aktuatorer.

MXene (Ti ₃ C ₂ T _x ) anvendt i det foreliggende værk tilhører en ny familie af væskekrystallinsk, todimensionale (2-D) metalcarbider med fremragende elektrisk ledningsevne, varmeledningsevne og fototermisk konvertering til dannelse af multiresponsive og potentielt højtydende aktuatorer. Der findes i øjeblikket kun et enkelt eksempel på brugen af ​​MXene som en elektrokemisk aktuator. I det nuværende arbejde, derfor, Cai et al. rettet mod at bruge MXene som en multiresponsiv blød aktuator til at udforske bladinspirerede, sofistikeret arkitektur til enkel betjening, kombineret med synergistiske funktionelle komponenter.

Inspireret af den biologiske arkitektur og fotosyntetiske mekanisme i et naturligt blad, Cai et al. designet en asymmetrisk, dobbeltlags blød aktuator ved hjælp af single-crystal, 2-D MXene nanosheets til at høste elektrisk eller lys energi til konvertering til termisk energi. For det, de brugte biokompatibel, cellulose-nanofibre til dannelse af veneskelettet til hurtige bladlignende formændringer sammen med polycarbonat (PC) filtermembraner til dannelse af stomata og epidermis til vandindsætning og ekstraktion til eller fra MXene-cellulosekompositterne (MXCC). Forskerne bekræftede den øgede absorption af vand i MXCC på grund af tilstedeværelsen af ​​cellulose ved hjælp af Fourier Transform Infrared (FTIR) spektre. Brug af udvalgte områdes elektrondiffraktionsmønstre (SAED), de opdagede tilstedeværelsen af ​​MXene som en sekskantet struktur og enkelt krystallinitet uden defekter i nanometerskalaen.

Den bløde aktuator fastholdt en flad og rynket form under omgivelsesbetingelser med relativ luftfugtighed, under bøjning som reaktion på stigende/faldende luftfugtighed i miljøet, som Cai et al. kvantitativt analyseret. De bemærkede fremragende aktuatorydelse og kontrollerbare bøjningsvinkler i forskellige fugtighedsniveauer. Forskerne undersøgte derefter den elektriske aktivering af enheden ved at forbinde en MXene-cellulosestrimmel til to kobbertråde. Bøjningsvinklen faldt næsten lineært med stigende elektrisk effekt, mens den bløde aktuator kun krævede en lav spænding for at opnå ekstrem aktivering. Sammenlignet med fugtbaseret aktivering, forskerne opnåede større bøjningsvinkler med elektrotermisk aktivering.

Forskerne registrerede også temperaturvariation og bindingsvinkler for bløde aktuatorer ved hjælp af nær infrarød (NIR) lysbestråling. De observerede bemærkelsesværdig synergistisk aktiveringsbevægelse af MXene/cellulose -kompositmaterialet, i modsætning til dårlig aktiveringsydelse for de enkelte komponenter. Baseret på den observerede optiske absorption, fototermisk konvertering og elektrokemisk aktivering, Cai et al. Forventer brugen af ​​disse sammensatte smarte bløde aktuatorer i fotoresponsive funktioner.

Cai et al. undersøgte yderligere de fotoinducerede mekaniske kræfter af materialet under NIR lysbestråling på en mekanisk analysator. Aktiveringsprocessen for MXCC/PC var hurtig og reversibel. Forskerne studerede de strukturelle ændringer af MXCC/PC- og MXene/PC-aktuatorerne under forskellige lysintensiteter ved hjælp af røntgendiffraktionsmålinger (XRD) for at vise amorf karakter af cellulose og PC-membran. De undersøgte den mekaniske adfærd ved hjælp af endelige elementmodelleringsmetoder (FEM) for yderligere at forstå aktiveringsprocessen for kompositmaterialet. Modelresultaterne stemte overens med de eksperimentelle resultater i undersøgelsen.

For at demonstrere programmerbar aktiveringsadfærd, forskerne udviklede en række sofistikerede konfigurationer. Inklusiv en dobbeltfoldet U-formet aktuator, trefoil bueformet aktuator og selvblomstrende blomst, hvor kronbladene åbnede og blomstrede før NIR-bestråling for hurtigt at lukke ved eksponering for NIR. Derudover forskerne udforskede en række smarte enheder såsom ormlignende robotter, smarte kontakter, en krypteringsenhed samt IR dynamisk display og camouflage for at udvide det primære koncept. Desuden, Cai et al. konstrueret en smart switch ved at mønstre krydsformet MXCC på PC-membranen, som de kontrollerede ved hjælp af trådløst NIR -lys. Baseret på principperne, forskerne dannede også et åbent elektrisk kredsløb for at tænde/slukke et smart ur ved hjælp af NIR -lys.

For datakryptering, baseret på det programmerbare MXene-cellulose blæk, Cai et al. konstrueret et ønsket mønster og formidlet oplysningerne ved lokal opvarmning ved hjælp af NIR -lys eller elektricitet. Informationen var kun læsbar ved hjælp af IR og usynlig for det menneskelige øje, giver bedre egnet informationskryptering ud over maskinlæsbare stregkoder og QR -koder. Evnen til at integrere forskellige funktioner i ét system for at opnå camouflage, visning og aktivering er vigtig og nyttig i flere discipliner. Disse enheder bekræftede muligheden for at bruge MXCC/PC -membraner til at betjene flere funktioner i smarte bløde systemer, herunder informationskryptering, camouflage og termoresponsiv adfærd.

De nye kompositmaterialer, rationelt design og billig fremstilling introduceret i undersøgelsen, sammen med syntetiske strategier implementeret af forskerne, vil gøre MXCC/PC -membransystemerne tilgængelige for brede videnskabelige og tekniske områder. På denne måde, Guofa Cai og kolleger udviklede og etablerede en ny klasse af multiresponsive materialer og enheder med hidtil uset integration af flere ejendomme inspireret af multifunktionelle biologiske strukturer.

MXCC/PC -membransystemerne efterlignede afgørende træk ved et naturligt blad fra mikrostrukturen til fotosyntetiske evner, som omfattede energi-høst og konvertering. De to -lags aktuatorer viste stærke træk, ligner state-of-the-art multiresponsive aktuatorer. De udforskede materialer og avancerede systemer kan videreudvikles for at etablere nye muligheder for revolutionerende teknologier inden for blød robotik, informationskryptering og IR dynamisk display.

© 2019 Science X Network