Forskere bruger organiske halvleder nanorør til at skabe en ny elektrokemisk aktuator

Forskere fra University of Houston rapporterer om et gennembrud inden for materialevidenskab og teknik med udviklingen af ​​en elektrokemisk aktuator, der bruger specialiserede organiske halvleder-nanorør (OSNT'er).

I øjeblikket i de tidlige udviklingsstadier, aktuatoren bliver en central del af forskning, der bidrager til fremtiden for robotteknologi, bioelektronisk og biomedicinsk videnskab.

"Elektrokemiske enheder, der omdanner elektrisk energi til mekanisk energi, har potentiel brug i adskillige applikationer, lige fra blød robotik og mikropumper til autofokus mikrolinser og bioelektronik, " sagde Mohammad Reza Abidian, lektor i biomedicinsk teknik ved UH Cullen College of Engineering. Han er den tilsvarende forfatter til artiklen "Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices, " offentliggjort i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer, som beskriver opdagelsen.

Betydelig bevægelse (som videnskabsmænd definerer som aktivering og måling som deformationsbelastning) og hurtig responstid har været uhåndgribelige mål, især til elektrokemiske aktuatorenheder, der fungerer i væske. Dette skyldes, at en væskes trækkraft begrænser en aktuators bevægelse og begrænser iontransport og akkumulering i elektrodematerialer og -strukturer. I Abidians laboratorium, han og hans team raffinerede metoder til at arbejde uden om de to anstødssten.

"Vores organiske halvleder nanorør elektrokemiske enhed udviser høj aktiveringsydelse med hurtig iontransport og akkumulering og afstembar dynamik i flydende og gel-polymer elektrolytter. Denne enhed demonstrerer en fremragende ydeevne, herunder lavt strømforbrug/belastning, en stor deformation, hurtig respons og fremragende aktiveringsstabilitet, " sagde Abidian.

Denne enestående præstation, forklarede han, stammer fra det enorme effektive overfladeareal af nanorørstrukturen. Det større område letter iontransport og akkumulering, hvilket resulterer i høj elektroaktivitet og holdbarhed.

"Det lave strømforbrug/belastningsværdier for denne OSNT-aktuator, selv når det fungerer i flydende elektrolyt, markere en dybtgående forbedring i forhold til tidligere rapporterede elektrokemiske aktuatorer, der opererer i væske og luft, " sagde Abidian. "Vi evaluerede langsigtet stabilitet. Denne organiske halvleder-nanorøraktuator udviste overlegen langtidsstabilitet sammenlignet med tidligere rapporterede konjugerede polymerbaserede aktuatorer, der opererer i flydende elektrolyt."

Med Abidian på projektet var Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan og Sheereen Majd, alle fra Institut for Biomedicinsk Teknik ved UH Cullen College of Engineering.

De anvendte organiske halvledere, kaldet konjugerede polymerer, blev opdaget i 1970'erne af tre videnskabsmænd - Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid og Hideki Shirakawa - der vandt en Nobelpris i 2000 for opdagelsen og udviklingen af ​​konjugerede polymerer.

For at en ny type aktuator skal overstråle status quo, slutproduktet skal vise sig ikke kun at være yderst effektivt (i dette tilfælde, i både flydende og gel polymer elektrolyt), men også at det kan holde.

"For at demonstrere potentielle anvendelser, vi designet og udviklede en bevægelig neural probe i mikronskala, der er baseret på OSNT-mikroaktuatorer. Denne mikrosonde kan potentielt implanteres i hjernen, hvor neurale signaloptagelser, der er negativt påvirket, ved enten beskadiget væv eller forskydning af neuroner, kan forbedres ved at justere positionen af ​​de bevægelige mikrocantilevers, " sagde Abidian.

Næste skridt er dyreforsøg, som snart vil blive gennemført på Columbia University. Tidlige resultater forventes ved udgangen af ​​2021, med længerevarende tests at følge.

"I betragtning af de hidtidige resultater, vi forventer, at disse nye OSNT-baserede elektrokemiske enheder vil hjælpe med at fremme den næste generation af blød robotteknologi, kunstige muskler, bioelektronik og biomedicinsk udstyr, " sagde Abidian.