Ekspressbaner for ioner:Ved at justere kulstofnanorør i elektroder, forskere øger ydeevnen

Aktuatorer er enheder, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi, såsom den batteridrevne enhed inde i en mobiltelefon, der får telefonen til at vibrere. Når denne proces vendes -- når en enhed omdanner mekanisk energi til elektrisk energi -- kaldes enheden en energihøster, og at elektrisk energi ofte lagres til fremtidig brug. Et eksempel kunne være en enhed inde i en pacemaker, der omdanner mekanisk energi skabt af bevægelsen af ​​et par vejrtrækningslunger til elektrisk energi, der kan bruges til at oplade pacemakerens batterier.

Begge enheder indeholder typisk elektromekaniske materialer, såsom elektroaktive polymerer, der er lavet af kædelignende molekyler, der ændrer sig i størrelse eller form, når de stimuleres af et elektrisk felt. Men deres effektivitet og hastighed afhænger af, hvor hurtigt ioner, eller elektrisk ladede partikler, kan bevæge sig mellem elektroder, eller de ledere, som elektrisk strøm passerer igennem, for at ændre polymerens størrelse eller form. Jo hurtigere ioner kan bevæge sig mellem elektroder, jo mere ionisk ledningsevne vil disse elektroder have, og jo mere responsivt vil materialet være over for det elektriske felt. Selvom disse polymerer normalt indeholder nanopartikler, der er tilfældigt spredt i materialet for at gøre det ledende, dette bremser ioner ved at tvinge dem til at rejse i zigzag-baner rundt om de små partikler.

For nylig, en MIT-forsker samarbejdede med et hold af elektriske ingeniører fra Pennsylvania State University for at udtænke en ny måde, hvorpå ioner kan rejse hurtigere mellem elektroder, end de gør i traditionelle polymerer. Brian L. Wardle, lektor i luftfart og astronautik, og hans kolleger designede elektroder, der indeholdt justerede kulstofnanorør - bittesmå, hule cylindre lavet af kulstofatomer - til brug i en elektroaktiv polymer. Som de rapporterer i et papir, der udkommer 8. oktober i Avancerede funktionelle materialer , denne justering skabte "ekspressbaner", der gjorde det muligt for ionerne at rejse hurtigere mellem elektroderne. Specifikt, forskerne vurderer, at den ioniske ledningsevne af disse elektroder er omkring en størrelsesorden større end elektroderne i polymerer, der indeholder tilfældigt spredte nanopartikler.

Wardle og hans kolleger, inklusive Qiming M. Zhang, en professor i elektroteknik ved Penn State, og hovedforfatter Sheng Liu, en af ​​Zhangs kandidatstuderende, demonstreret, at de justerede carbon-nanorør-elektroder kan forbedre ionydelsen i en aktuator, hvilket betyder, at de kan optimeres til applikationer som kunstige muskler og robotter.

Forskerne oplyser, at enhederne kunne bruges som energihøstere gennem en omvendt konverteringsproces. Der er en enorm interesse for at udvikle energihøstere til store applikationer, som at skabe elektrisk energi fra vind- eller havbølgers bevægelse, Wardle siger. Enhederne kan også bruges til at drive store netværk af mikroskopiske sensorer i svært tilgængelige områder som underjordiske rør.

Sammensat skabelse

Forskernes mål var at designe en komposit, der kunne fungere som en overlegen elektrode. Ved at opvarme naturgas og udsætte den for en metalkatalysator, Wardle og flere af hans kandidatstuderende dyrkede de elektrisk ledende kulstofnanorør og hældte en polymer blandet i et opløsningsmiddel over dem. Når opløsningsmidlet er fordampet, det efterlod et solidt, ion-porøs komposit indeholdende både polymer- og kulstofnanorør. Forskerne brugte derefter denne komposit til at skabe en struktur bestående af et lag af ren polymer (til at fungere som en isolator) indeholdende både positive og negative ioner klemt mellem to lag af kompositten lavet af både polymer og carbon nanorør (til at fungere som elektroder) .

For at teste strukturens aktuatorevner, forskerne anvendte et elektrisk lavspændingsfelt. Denne spænding fik ioner til at strømme fra det ene elektrodelag til det andet, hvilket resulterede i, at den ene side af strukturen indeholdt flere ioner. Denne ion-ubalance genererede nok tryk til at få hele strukturen til at bøje, derved skabes mekanisk energi. Eksperimentet afslørede også, at det sammensatte elektrodedesign hjalp med at minimere elektrisk modstand.

Forskerne mener, at den samme enhed kan bruges som en energihøster, hvis den belastes mekanisk, såsom gennem kompression. Det er fordi kompression ville få ionerne til at bevæge sig anderledes, hvilket ville forårsage en ubalanceret elektrisk ladning. Det her, på tur, ville skabe en spændingsforskel og producere en strøm af elektricitet.

Optimering af design

Yoseph Bar-Cohen, en seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory, siger, at undersøgelsen viser en forbedring af ioniske polymerer. Men han er nysgerrig efter enhedens reaktion over længere tid, bemærker, at den nuværende undersøgelse var begrænset til kun et 10-minutters eksperiment.

Når de udvikler disse elektroder, Wardle og hans samarbejdspartnere forsøger at bestemme et optimalt design. Nu hvor de har vist, hvor effektive kulstofnanorør er for elektrodeeffektivitet, de udforsker visse detaljer, der kan muliggøre optimal ydeevne, såsom afstanden mellem de små rør.