Kæmpe elektrokemisk aktivering i et nanoporøst silicium-polypyrrol hybridmateriale

Fraværet af piezoelektricitet i silicium kan føre til direkte elektromekaniske anvendelser af det almindelige halvledermateriale. Den integrerede elektriske kontrol af siliciummekanik kan åbne nye perspektiver for on-chip aktuatorer. I en ny rapport, Manuel Brinker og et forskerhold i fysik, materialer, mikroskopi og hybride nanostrukturer i Tyskland, kombineret wafer-skala nanoporositet i enkeltkrystallinsk silicium for at syntetisere en komposit, der demonstrerer makroskopisk elektrostrain i vandige elektrolytter. Spændings-belastningskoblingen var tre størrelsesordener større end den bedst ydende keramik. Brinker et al. sporede elektroaktiveringen til den samordnede handling af et tværsnit på 100 milliarder nanoporer pr. kvadratcentimeter og opnåede usædvanligt små driftsspændinger (0,4 til 0,9 volt) sammen med bæredygtige og biokompatible basismaterialer til biohybride materialer med lovende bioaktuatorapplikationer. Værket er nu udgivet på Videnskabens fremskridt .

Udvikling af polymerer med indlejret elektrokemisk aktivering

Elektrokemiske ændringer, der opstår under oxidationen af ​​den ledende polymer polypyrrol (PPy) kan øge eller mindske antallet af delokaliserede ændringer i polymerens rygrad. Når nedsænket i en elektrolyt, materialet er ledsaget af reversibel modionoptagelse eller udstødelse med makroskopisk kontraktion samt hævelse under elektrisk potentialkontrol for at gøre PPy til et af de mest almindelige materialer til at udvikle kunstige muskelmaterialer. I dette arbejde, Brinker et al. kombineret aktuatorpolymeren med en tredimensionel (3-D) stilladsstruktur af nanoporøst silicium for at designe et materiale til indlejret elektrokemisk aktivering. Den nye konstruktion indeholdt nogle få lette og rigelige elementære bestanddele, herunder brint (H), kulstof (C), nitrogen (N), oxygen (O), silicium (Si) og klor (Cl).

Under forsøget, holdet forberedte den porøse silicium (pSi) membran ved hjælp af en elektrokemisk ætsningsproces af doteret silicium i flussyre. De resulterende porer var lige og vinkelrette på siliciumoverfladen. Ved hjælp af scanningselektronmikroskopiprofiler, Brinker et al. observerede en homogen prøvetykkelse. De fyldte derefter den porøse silicium (pSi) membran med polypyrrol (PPy) gennem elektropolymerisation af pyrrol monomerer. Polymerkernedannelse og delvis oxidation af pSi øgede det åbne kredsløbspotentiale, hvilket førte til en konstant aflejring af PPy inde i porerne. De meget asymmetriske porer dannede en kædelignende polymervækst, der hæmmede forgrening af polymeren og førte til lavere elektrisk modstand. Holdet observerede det resulterende kompositmateriale ved hjælp af transmissionselektronmikrografer (TEM) med energidispersive røntgen (EDX) spektroskopisignaler for at indikere homogen PPy-fyldning af den tilfældige pSi-bikagestruktur.

For at karakterisere funktionen af ​​det resulterende hybridmateriale, Brinker et al. udførte dilatometrimålinger; en termo-analytisk metode til at måle krympning eller udvidelse af materialer, i en in situ elektrokemisk opstilling. De nedsænkede prøven i perchlorsyre og placerede den, så porerne pegede i vandret retning. Holdet placerede derefter dilatometerets kvartssonde oven på prøven for at måle dens længde, hvorefter de satte prøven i kontakt med perchlorsyre for at udføre elektrokemiske aktiveringseksperimenter. Brinker et al. målte hybridsystemets elektrokemiske egenskaber før og under dilatometrimålinger ved at optage cykliske voltammogrammer (CV'er) i potentialeområdet fra 0,4 V til 0,9 V. pSi-PPy-membranen udviste kapacitiv opladningskarakteristik for PPy, hvor strømmen hurtigt bevægede sig mod en konstant værdi. De anvendte ikke en højere spænding, forhindrer overoxidation eller delvis ødelæggelse af polymeren. Forskerholdet registrerede prøvelængdeændringen, til detaljeret karakterisering af elektrokemisk aktivering under registrering af CV'er (cykliske voltammogrammer).

Trin-coulometri

Brinker et al. udførte derefter trincoulometri for at analysere aktiveringskinetikken og mængden af ​​stof transformeret under en elektrolysereaktion ved at måle mængden af ​​elektricitet, der forbruges eller produceres i opsætningen. Belastningsreaktionen af ​​den eksperimentelle opsætning var hurtigere end opladnings- og afladningsprocessen med næsten en størrelsesorden. To effekter kan have bidraget til observationen. Først, under forsøget, polypyrrolen (PPy) kan have nået sin udbyttegrænse for at forårsage plastisk deformation. Hele prøven vil ikke udvides yderligere, på trods af inklusion af modioner i polymeren som bemærket gennem mikromekanisk analyse. Sekund, diffusionsbegrænsningerne kan have hindret den hurtigere overførsel af anioner til PPy, en kinetisk begrænsning understøttet af simuleringer af molekylær dynamik. Forskerne modellerede også de mikromekaniske egenskaber af mikrostrukturen ekstraheret fra elektronmikrofotografiet af det samme materialeområde for at forstå mekanismen for elektroaktivering af den PPy-fyldte pSi-membran. De målte det makroskopiske Youngs modul af materialet for den tomme PPy og PPy-fyldt med pSi-membran for at vise, hvordan strukturen af ​​pSi-netværket dominerede den makroskopiske stivhed af materialet.

Forbedret funktionalitet af biohybridsystemet

Internt mekanisk kvældningstryk i det vandige elektrolyt/PPy (polypyrrol) system bidrog til bevægelsen af ​​modioner ind i porerummet på grund af det elektriske potentiale påført hele det porøse medium. I modsætning til piezoelektriske materialer, potentialet anvendt i dette arbejde for at opnå exceptionel aktivering ved hjælp af de biokompatible hybridmaterialer var betydeligt lavere, som vidner om forbedret funktionalitet af hybridsystemet. På denne måde Manuel Brinker og kolleger integrerede stor elektrokemisk aktivering i en mainstream-halvleder sammen med funktionel integration af porøst silicium (pSi) for at etablere alsidige og bæredygtige veje til elektrokemisk energilagring og andre applikationer i vandige elektrolytiske medier. This work expanded on previous approaches on combining classic piezoelectric actuator materials, imidlertid, in contrast to high-performance piezoelectric ceramics, the team did not integrate any heavy metals such as lead (Pb) for functionality. The materials used in this work are biocompatible and biodegradable, alongside exceptionally small functional voltages suited for biomedical functions of actuation. From a materials science perspective, the research showed how self-organized porosity in solids could be functionalized to design robust, 3-D mechanical materials to integrate nanocomposites within macroscale devices.

© 2020 Science X Network