Ten artykuł opisuje szybki i prosty proces produkcji jonowych, elektromechanicznie aktywnych materiałów kompozytowych do siłowników w zastosowaniach biomedycznych, biomimetycznych i miękkiej robotyki. Szczegółowo opisano kluczowe etapy wytwarzania, ich znaczenie dla końcowych właściwości siłowników oraz niektóre z głównych technik charakteryzacji.
Artykuł metodologiczny
Produkcja jonowych, elektromechanicznie aktywnych miękkich siłowników na bazie węgla
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Jonowe elektromechanicznie aktywne laminaty pojemnościowe to rodzaj inteligentnego materiału, który porusza się w odpowiedzi na stymulację elektryczną. Ze względu na miękki, podatny i biomimetyczny charakter tego odkształcenia, siłowniki wykonane z laminatu cieszą się rosnącym zainteresowaniem w miękkiej robotyce i zastosowaniach (bio)medycznych. Jednak do transferu wiedzy z laboratorium do przemysłu potrzebne są metody łatwego wytwarzania materiału aktywnego w dużych (nawet przemysłowych) ilościach i z wysoką powtarzalnością między partiami i wewnątrz partii. Protokół ten opisuje prostą, skalowalną przemysłowo i powtarzalną metodę wytwarzania elektromechanicznie aktywnych laminatów pojemnościowych na bazie węgla jonowego oraz przygotowania wykonanych z nich siłowników. Włączenie pasywnej i chemicznie obojętnej (nierozpuszczalnej) warstwy środkowej (np. sieci polimerowej wzmocnionej tekstyliami lub mikroporowatego teflonu) odróżnia tę metodę od innych. Protokół jest podzielony na pięć etapów: przygotowanie membrany, przygotowanie elektrody, zamocowanie odbieraka prądu, cięcie i kształtowanie oraz uruchamianie. Postępowanie zgodnie z protokołem skutkuje materiałem aktywnym, który może, na przykład, zgodnie z przepisami chwytać i trzymać przedmiot o losowym kształcie, jak pokazano w artykule.
Wprowadzenie
Jonowe polimery aktywno-elektromechaniczne lub kompozyty polimerowe to z natury miękkie i podatne materiały, które budzą coraz większe zainteresowanie w różnych zastosowaniach w dziedzinie miękkiej robotyki oraz biomimetyki (np. jako siłowniki, chwyty lub roboty bioinspirowane1,2). Ten rodzaj materiału reaguje na sygnały elektryczne w zakresie kilku woltów, co ułatwia ich integrację z konwencjonalną elektroniką i źródłami zasilania3. Dostępnych jest wiele różnych rodzajów materiałów bazowych dla siłowników jonowych, co zostało szczegółowo opisane w innych opracowaniach4, a także w publikacjach z ostatniego okresu5. Ponadto w ostatnim czasie szczególnie podkreślano, że rozwój urządzeń miękkiej robotyki będzie ściśle powiązany z rozwojem zaawansowanych procesów wytwarzania odpowiednich materiałów aktywnych i komponentów6. Co więcej, w poprzednich badaniach opartych na metodologii zwrócono uwagę na znaczenie wydajnego i dobrze ustanowionego schematu procesu przygotowania powtarzalnych siłowników, które mają potencjał do przejścia z etapu laboratoryjnego do przemysłowego7.
W ciągu ostatnich dziesięcioleci opracowano lub zaadaptowano wiele metod wytwarzania do przygotowania aktuatorów (np. odlewanie warstwa po warstwie8 i prasowanie na gorąco9,10, impregnację z redukcją1, malowanie12,13, naparowywanie i późniejszą syntezę elektrochemiczną14,15, druk atramentowy16 oraz powlekanie wirowaniem17); niektóre metody są bardziej uniwersalne, a inne bardziej ograniczające pod kątem doboru materiałów. Jednak wiele z obecnych metod jest dość skomplikowanych i/lub bardziej odpowiednich do wytwarzania w skali laboratoryjnej. Niniejszy protokół koncentruje się na szybkiej, powtarzalnej, niezawodnej, możliwej do zautomatyzowania i skalowalnej metodzie wytwarzania aktuatorów w celu produkcji aktywnych laminatów o niskiej zmienności między partiami i w obrębie partii oraz długiej żywotności aktuatora18. Metoda ta może być wykorzystana przez naukowców zajmujących się materiałami do opracowania wysokowydajnych aktuatorów dla następnej generacji aplikacji bionicznych. Ponadto stosowanie tej metody bez modyfikacji zapewnia inżynierom robotyki miękkiej oraz nauczycielom aktywny materiał do rozwoju i prototypowania nowych urządzeń lub do nauczania koncepcji robotyki miękkiej.
Jonowe polimery aktywno-elektromechaniczne lub aktuatory polimerowe są zazwyczaj wykonane z dwu- lub trójwarstwowych kompozytów laminowanych i wyginają się w odpowiedzi na stymulację elektryczną w zakresie kilku woltów (Ryc. 1). Ten ruch zginający jest spowodowany efektami pęcznienia i kurczenia się warstw elektrod i zazwyczaj wynika albo z reakcji faradycznych (redoks) na elektrodach (np. w przypadku polimerów aktywno-elektromechanicznych (EAPs), takich jak polimery przewodzące), albo z ładowania pojemnościowego warstwy podwójnej (np. w polimerowych elektrodach na bazie węgla, gdzie polimer może pełnić jedynie rolę spoiwa). W niniejszym protokole (Ryc. 2) skupiamy się na tym drugim przypadku; przedstawiamy wytwarzanie kompozytu aktywno-elektromechanicznego, który składa się z dwóch elektrod przewodzących prąd elektrycznie na bazie węgla o wysokiej powierzchni właściwej, rozdzielonych obojętną membraną jonoprzewodzącą, która ułatwia ruch kationów i anionów między elektrodami – jest to konfiguracja bardzo podobna do superkondensatorów. Ten typ aktuatora wygina się w odpowiedzi na pojemnościowe ładowanie/rozładowanie, a wynikające z tego pęcznienie/kurczenie się elektrod przypisuje się zazwyczaj różnicom w objętości i ruchliwości kationów oraz anionów elektrolitu8,10,19. O ile jako materiał aktywny nie zostanie zastosowany węgiel funkcjonalizowany powierzchniowo lub kompozyt pojemnościowy nie będzie używany poza oknem potencjału stabilności elektrochemicznej elektrolitu, nie spodziewa się wystąpienia reakcji faradycznych na tego typu elektrodach20. Brak reakcji faradycznych jest głównym czynnikiem sprzyjającym długiej żywotności tego materiału aktuatorowego (tj. tysiące cykli w powietrzu8,18 wykazanych dla różnych aktuatorów pojemnościowych).
Rycina 1: Struktura aktuatora na bazie węgla w stanie neutralnym (A) oraz w stanie wzbudzonym (B). (B) podkreśla również kluczowe cechy determinujące wydajność siłownika jonowego. Uwaga: rysunek nie jest wykonany w skali. Rozmiar jonów został powiększony w celu zilustrowania najczęściej przywoływanego mechanizmu aktywacji, występującego w przypadku membrany obojętnej, która umożliwia mobilność zarówno anionów, jak i kationów elektrolitu (np. cieczy jonowej). Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Uzyskanie funkcjonalnej membrany, która pozostaje nienaruszona przez cały proces wytwarzania, jest jednym z kluczowych etapów prawidłowego przygotowania siłownika. Wysokowydajna membrana dla siłownika powinna być jak najcieńsza i umożliwiać przewodnictwo jonowe między elektrodami, jednocześnie blokując jakiekolwiek przewodnictwo elektronowe. Przewodnictwo jonowe w membranie może wynikać z połączenia elektrolitu z obojętną siecią porowatą (np. podejście zastosowane w niniejszym protokole) lub z użycia specyficznych polimerów z kowalencyjnie związanymi jednostkami zjonizowanymi lub innymi grupami umożliwiającymi oddziaływania z elektrolitem. Pierwsze podejście jest tutaj preferowane ze względu na prostotę, podczas gdy specjalnie dostosowane oddziaływania między elektrolitem a siecią polimerową mogłyby również przynieść korzyści, pod warunkiem wykluczenia niekorzystnych interakcji (np. blokowania lub znacznego spowalniania ruchu jonów w wyniku oddziaływań). Szeroki wybór membran jonomerycznych lub innych membran aktywnych dla siłowników aktywnych elektromechanicznie oraz wynikające z nich mechanizmy aktywacji zostały niedawno opisane w przeglądzie literatury21. Wybór membrany, obok wyboru elektrody, odgrywa kluczową rolę w wydajności, żywotności i mechanizmie działania siłownika. Niniejszy protokół koncentruje się głównie na membranach obojętnych, które zapewniają porowatą strukturę dla migracji jonów (jak pokazano na Rysunku 1), choć niektóre części protokołu (np. opcja membrany C) mogą okazać się korzystne również w przypadku membran aktywnych.
Oprócz wyboru materiału membrany, istotną rolę w uzyskaniu funkcjonalnego separatora do kompozytu odgrywa również metoda jej wytwarzania. Stosowane wcześniej membrany odlewane mają tendencję do topnienia podczas późniejszego etapu prasowania na gorąco, co może prowadzić do powstawania punktów przegrzania powodujących zwarcia2. Co więcej, komercyjne membrany jonomerowe (np. Nafion) wykazują tendencję do znacznego pęcznienia i odkształcania się pod wpływem rozpuszczalników stosowanych w późniejszych etapach produkcji12, a niektóre polimery (np. celuloza23) mogą w pewnym stopniu rozpuszczać się w niektórych cieczach jonowych, co może powodować problemy z powtarzalnością procesu wytwarzania i skutkować niską jednorodnością elektrod. Dlatego niniejszy protokół koncentruje się na aktuatorach z integralnym, pasywnym i chemicznie obojętnym komponentem w membranie (np. włókno szklane lub jedwab z PVDF lub PTFE), który zapobiega pęcznieniu i odkształcaniu się kompozytu w późniejszych etapach produkcji oraz zapobiega powstawaniu punktów przegrzania powodujących zwarcia. Ponadto dodanie obojętnego i pasywnego komponentu znacznie upraszcza proces produkcji i umożliwia przygotowanie większych partii materiału w porównaniu do metod tradycyjnych.
Zastosowanie pasywnego wzmocnienia w membranie zostało po raz pierwszy wprowadzone przez Kaasika i wsp..18 w celu rozwiązania wspomnianych wyżej problemów w procesie produkcji siłowników. Wprowadzenie tkanego wzmocnienia tekstylnego (patrz również Rysunek 3B i 3D) umożliwia ponadto integrację narzędzi z aktywnym kompozytem24 lub opracowanie inteligentnych tkanin18. W związku z tym opcja C membrany w protokole jest bardziej odpowiednia do takich zastosowań. Jednak w przypadku miniaturowych siłowników (w skali poniżej milimetra) stosunek komponentu pasywnego do aktywnego w membranie staje się coraz mniej korzystny, a zastosowanie uporządkowanego wzmocnienia tekstylnego może zacząć negatywnie wpływać na wydajność siłownika oraz powtarzalność między próbkami. Ponadto kierunek wzmocnienia (wzdłuż lub na ukos w stosunku do kierunku zginania) może w nieprzewidywalny sposób wpływać na działanie siłowników o bardziej złożonych kształtach. Dlatego w przypadku miniaturowych siłowników i bardziej złożonych kształtów siłowników korzystniejsza byłaby mniej uporządkowana i wysoce porowata struktura obojętna.
Politetrafluoroetylen (PTFE, znany również pod nazwą handlową Teflon) jest jednym z najbardziej obojętnych polimerów znanych do dziś. Zazwyczaj jest on silnie hydrofobowy, jednak istnieją wersje poddane obróbce powierzchniowej, które czynią go hydrofilowym, co ułatwia ich zastosowanie w produkcji siłowników. Rysunek 3A przedstawia losową strukturę obojętnej hydrofilowej membrany filtracyjnej z PTFE, która została wykorzystana w niniejszym protokole do przygotowania siłownika. Oprócz jednorodności tego materiału we wszystkich kierunkach, co jest korzystne przy wycinaniu zminiaturyzowanych siłowników lub kształtów złożonych, zastosowanie komercyjnej membrany filtracyjnej o kontrolowanej porowatości dodatkowo upraszcza proces produkcji siłowników, niemal całkowicie eliminując potrzebę przygotowania membrany. Co więcej, uzyskanie grubości membrany na poziomie 30 µm jest niezwykle trudne w wcześniej opisanej konfiguracji wzmocnionej tekstyliami. Dlatego w większości przypadków należy preferować metody produkcji siłowników opartych na PTFE (opcje A i B) z niniejszego protokołu, biorąc pod uwagę ponadto, że opcja A jest szybsza, natomiast siłowniki wykonane przy użyciu opcji B wykazują większe odkształcenia (w zakresie częstotliwości przedstawionym na Rysunku 4B). Miękki chwytak przedstawiony w sekcji reprezentatywnych wyników został również przygotowany przy użyciu membrany PTFE uprzednio namoczonej w elektrolycie.
Po przygotowaniu funkcjonalnej membrany protokół kontynuowany jest poprzez przygotowanie elektrod i przymocowanie kolektora prądu. Elektrody na bazie węgla nanosi się metodą natryskową – jest to uznana w przemyśle procedura, która pozwala na wysoką kontrolę nad grubością powstającej warstwy elektrodowej. Metoda natryskowa pozwala na uzyskanie bardziej jednolitych elektrod w porównaniu na przykład z metodą odlewania (lub ewentualnie innymi metodami mokrymi), w których znane jest zjawisko sedymentacji cząstek węgla podczas suszenia filmu25.
Laminat pojemnościowy jest aktywny już po naniesieniu elektrod węglowych. Jednakże, zastosowanie złotych kolektorów prądu pozwala na uzyskanie siłowników o rząd wielkości szybszych26. Kolejnym istotnym krokiem w protokole jest mocowanie kolektorów prądu w stanie rozciągniętym odpowiedniej elektrody (tzn. gdy kompozyt jest wygięty). W rezultacie, w neutralnym, płaskim stanie siłownika, złota folia ulegnie pofałdowaniu w skali submilimetrowej. Podejście oparte na buforowaniu poprzez pofalowanie (buckling)27 umożliwia uzyskanie większych odkształceń bez pękania, niż byłoby to możliwe w przypadku cienkiej (~10 nm) blachy metalowej.
Wszystkie etapy produkcji siłownika (przygotowanie membrany, natryskiwanie elektrod, mocowanie kolektora prądu) podsumowano również na Rysunku 2. W celu zademonstrowania charakterystyki wydajności przygotowaliśmy chwytak, który w sposób poddajny chwyta, trzyma i uwalnia obiekt o przypadkowym kształcie i przypadkowej teksturze powierzchni. Bardziej proste geometrie, takie jak próbki prostokątne o stosunku boków 1:4 lub wyższym (np. 4 mm do 20 mm lub nawet 1 mm do 20 mm28), wycięte z materiału aktywnego i zamocowane w pozycji wspornikowej, są również bardzo typowe dla charakterystyki materiałów lub innych zastosowań wykorzystujących zachowanie typu zginania.
Artykuł kończy się krótkim wprowadzeniem do typowych technik charakterystyki i rozwiązywania problemów w przypadku jonowych materiałów pojemnościowych aktywnych elektromechanicznie, przy zastosowaniu prostszej prostokątnej geometrii aktuatora. Pokazujemy, jak wykorzystać powszechne techniki charakterystyki elektrochemicznej, takie jak woltametria cykliczna (CV) i spektroskopia impedancji elektrochemicznej (EIS), aby dokładniej scharakteryzować i zdiagnozować materiał aktuatora. Wizualizacja kompozytu w skali submilimetrowej została wykonana za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), do której przygotowania próbek zastosowaliśmy technikę krio-złamania. Polimerowa natura materiału utrudnia uzyskanie wyraźnych przekrojów przy użyciu zwykłego cięcia. Jednak łamanie zamrożonych próbek pozwala na uzyskanie dobrze zdefiniowanych przekrojów.
Rysunek 2: Przegląd procesu wytwarzania. Najważniejsze etapy zostały wyróżnione. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Protokół
UWAGA: Wiele substancji chemicznych i komponentów używanych w tym protokole jest niebezpiecznych, proszę zapoznać się z odpowiednimi kartami charakterystyki (SDS) w celu uzyskania dalszych informacji przed rozpoczęciem eksperymentu. Podczas pracy z lotnymi rozpuszczalnikami podczas eksperymentu (np. podczas przygotowywania roztworów, wytwarzania wzmocnionej membrany, natryskiwania elektrod i mocowania odbieraków prądu) należy używać dygestorium i środków ochrony osobistej (rękawice, okulary, fartuch laboratoryjny). Unikaj bezpośredniego kontaktu skóry z końcowym kompozytem (chyba że jest on zamknięty w obudowie28), zawsze nosząc rękawice.
1. Wykonanie membrany separatora
- Weź ramkę, taką jak ramka do haftowania.
UWAGA: Zastosowaliśmy standardowe rozmiary ramek od 7,5 cm do 25 cm w zależności od pożądanej wielkości partii. Co najważniejsze, rama powinna być wykonana z materiałów, które są odporne na rozpuszczalniki i inne materiały użyte w recepturze. Na przykład w tym protokole używana jest ramka do haftu z polipropylenu. Jeśli jednak nie masz pewności, zaleca się wykonanie testu rozpuszczalnika na ramie. - Wybierz jedną z opcji od A do C (omówioną powyżej i przedstawioną na rysunku 2), aby znaleźć najbardziej odpowiednią konfigurację membrany dla planowanego zastosowania. Tylko jedna z trzech membran jest potrzebna do przygotowania funkcjonalnego materiału siłownika.
- Opcja A: Zastosowanie wysoce porowatych komercyjnych membran filtracyjnych do przygotowania separatorów przewodzących jony
- Weź membranę filtracyjną o wysokiej porowatości (taką jak filtr membranowy PTFE o grubości 30 μm i porowatości, 80%). Jeśli standardowy filtr jest zbyt duży dla ramy, przytnij go do kształtu za pomocą nożyczek. Przeciąć membranę między arkuszami transferowymi, aby uniknąć zanieczyszczenia.
- Zamocuj i napnij suchą membranę filtracyjną na ramie.
UWAGA: Niektóre membrany filtracyjne mogą być dość kruche w stanie suchym. Bardzo ostrożnie mocuj suche membrany, aby uniknąć rozdarcia. - Przejdź do kroku 2, aby kontynuować przygotowanie kompozytu aktywnego elektromechanicznie.
- Opcja B: Stosowanie komercyjnych membran filtracyjnych nasączonych elektrolitem do przygotowania separatorów przewodzących jony
- Weź membranę filtracyjną o wysokiej porowatości (taką jak filtr membranowy PTFE o grubości 30 μm i porowatości, 80%). Jeśli standardowy filtr jest zbyt duży dla ramy, przytnij go do kształtu za pomocą nożyczek. Przeciąć membranę między arkuszami transferowymi, aby uniknąć zanieczyszczenia.
- Zapisać suchą masę membrany za pomocą wagi analitycznej, aby później obliczyć pobór elektrolitu. Ten krok jest potrzebny tylko do monitorowania powtarzalności między partiami i w przeciwnym razie można go pominąć.
- Umieścić suchą membranę na szalce Petriego i za pomocą pipety dodać nadmiar cieczy jonowej (np. trifluoromethansulfonianu 1-etylo-3-metyloimidazolu ([EMIM][OTf])).
UWAGA: Używaj rękawiczek, aby zapobiec kontaktowi ze skórą. - Lekko przechyl krążek Petriego, aby upewnić się, że cała membrana jest pokryta cieczą jonową lub użyj pipety, aby przenieść ciecz jonową do obszarów, w których membrana jest jeszcze sucha.
- Pozwól membranie zanurzyć się w cieczy jonowej, aby osiągnąć maksymalny absorpcję elektrolitów.
- Gdy membrana jest wystarczająco nasączona (na filmie po około 1 minucie), odpipetuj większość nadmiaru cieczy jonowej.
- Za pomocą pęsety ostrożnie umieść membranę między bibułami filtracyjnymi, aby usunąć resztę cieczy jonowej, która nie została wchłonięta przez membranę. Końcowa membrana powinna być półprzezroczysta, ale nie mokra.
- Zapisać masę namoczonej i wysuszonej membrany z etapu 1.4.7 za pomocą wagi analitycznej. Ten krok jest potrzebny tylko do monitorowania powtarzalności między partiami i w przeciwnym razie można go pominąć.
UWAGA: W przypadku wysoce porowatych membran PTFE i cieczy jonowych o stosunkowo niskiej lepkości (np. [EMIM][OTf]) maksymalny absorpcja cieczy jonowych jest osiągana niemal natychmiast. Stosowanie różnych cieczy jonowych i różnych (mniej porowatych) dostępnych na rynku membran polimerowych może skutkować dłuższym czasem namaczania. Taką potrzebę można określić, powtarzając kroki od 1.4.1 do 1.4.8. aż do uzyskania stałej masy membrany. Jeśli jednak elektrolit jest zbyt lepki lub membrana nie jest wystarczająco porowata, wydajność siłownika również może nie być zbyt wysoka. - Przymocuj i napnij nasączoną i wysuszoną membranę na ramie, unikając zmarszczek i fałd.
- Opcja C: Wykonanie membrany przewodzącej jony wzmocnionej tkaniną, która może być przydatna przy planowaniu użycia niestandardowych polimerów (tj. polimerów niedostępnych jako membrany komercyjne (filtracyjne)), niestandardowych grubości membrany, cieczy jonowych o wyższej lepkości lub podczas integracji narzędzi z siłownikiem. W tym miejscu pokazujemy podstawową procedurę wytwarzania membran wzmocnionych tekstyliami, które można na przykład zmodyfikować tak, aby zawierały narzędzia lub rurki (więcej informacji można znaleźć w Ref24).
- W kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszać ze sobą 2 g polifluorku winylidenu (PVDF), 2 g cieczy jonowej (np. [EMIM][OTf]), 4 ml węglanu propylenu (PC) i 18 ml N,N-dimetyloacetamidu (DMAc).
UWAGA: DMAc i PC są toksyczne i stanowią zagrożenie dla zdrowia oraz mogą podrażniać skórę i oczy. Obchodzić się z nimi ostrożnie, używać dygestorium i środków ochrony osobistej. - Dodać mieszadło magnetyczne i zamknąć kolbę korkiem.
- Uszczelnić kolbę laboratoryjną folią stretch na bazie polietylenu, aby zapobiec parowaniu rozpuszczalników.
UWAGA: Użyj folii stretch, która wytrzyma mieszanie w temperaturze 70 °C (np. temperatura topnienia Parafilm wynosi zaledwie 60 °C, a zatem Parafilm nie byłby odpowiedni do tego zastosowania). - Mieszać roztwór przez noc w temperaturze 70 °C za pomocą mieszadła magnetycznego i płyty grzejnej o regulowanej temperaturze. Ustaw prędkość mieszania na średnią. Zbyt duża prędkość mieszania może wprowadzić zbyt dużo powietrza do roztworu, podczas gdy zbyt wolne mieszanie może spowodować znacznie dłuższy czas przygotowania.
UWAGA: Eksperyment można w tym miejscu wstrzymać i kontynuować później. Przygotowany roztwór można przechowywać w szczelnie zamkniętym naczyniu przez dłuższy czas. Ponownie podgrzej i wymieszaj przechowywany roztwór przed ponownym użyciem (zazwyczaj wystarcza mieszanie w temperaturze 70 °C przez 1 godzinę). - Wytnij kawałek materiału (np. jedwab lub ściereczkę z włókna szklanego) za pomocą nożyczek.
UWAGA: Tekstylia o składzie włókien obojętnych, takie jak jedwab lub włókno szklane, działają najlepiej, ponieważ rozpuszczalniki z roztworu membranowego ich nie rozpuszczają. Zaleca się jednak przeprowadzenie testu rozpuszczalnika przed użyciem jakiejkolwiek tkaniny. Preferowane są lekkie tkaniny, ponieważ mają one najmniejszy wpływ na aktywację końcowego kompozytu. W filmie użyliśmy tkaniny jedwabnej (11,5 g/m2). - Przymocuj i napnij tkaninę na ramie.
- Przytnij nadmiar materiału za pomocą nożyczek i ostrożnie usuń ręcznie luźne włókna.
- Podczas pracy pod wyciągiem przykryj tkaninę cienką warstwą roztworu membrany za pomocą pędzla.
- Pozostaw warstwę do całkowitego wyschnięcia. Pistolet na gorące powietrze pracujący na niskiej prędkości najpierw samodzielnie, a później wraz z dedykowaną konfiguracją (szczegółowe informacje na rysunku 5) może być użyty do przyspieszenia procesu odparowywania rozpuszczalnika.
UWAGA: Użycie zbyt dużej prędkości wirowania z dedykowaną konfiguracją na stosunkowo mokrej membranie może spowodować deformacje warstw membrany i może spowodować utratę materiału membrany. - Po wyschnięciu warstwy sprawdź, czy kompozyt nie jest oświetlony pod kątem dziurek. Do tego celu można również użyć mikroskopu.
- Jeśli w membranie znajdują się otwory, nałożyć kolejną warstwę powłoki, powtarzając kroki 1.5.8 i 1.5.9.
- Podczas nakładania roztworu membrany należy zmieniać boki tkaniny, aby upewnić się, że wzmocnienie (tj. płaszczyzna neutralna) pozostaje pośrodku membrany (patrz obraz SEM na rysunku 3D, który pokazuje włókna tekstylne umieszczone pośrodku warstwy membrany).
UWAGA: Rozpuszczalniki w roztworze polimeru powoli rozpuszczają wcześniej nałożone warstwy. Dlatego należy dodawać kolejne warstwy membrany ze szczególną ostrożnością, aby zapobiec uszkodzeniu już nałożonej membrany. Nakładaj jak najcieńsze warstwy i nigdy nie przechodź dwa razy po już mokrych powierzchniach. - Po uzyskaniu membrany wolnej od wad należy sprawdzić jej ostateczną grubość za pomocą mikrometrycznego sprawdzianu śrubowego. Zazwyczaj należy nałożyć co najmniej trzy warstwy, w wyniku czego powstaje membrana o grubości około 50 μm.
- Pozostaw gotową membranę do wyschnięcia pod wyciągiem przez co najmniej 24 godziny.
UWAGA: W tym miejscu eksperyment można przerwać i kontynuować później z natryskiwaniem elektrod. Wskazane jest jednak osłonięcie przygotowanej membrany przed cząsteczkami kurzu podczas suszenia.
- W kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszać ze sobą 2 g polifluorku winylidenu (PVDF), 2 g cieczy jonowej (np. [EMIM][OTf]), 4 ml węglanu propylenu (PC) i 18 ml N,N-dimetyloacetamidu (DMAc).
2. Wykonanie elektrod
UWAGA: Zawiesina elektrody składa się z roztworu elektrody A (roztwór polimeru) i zawiesiny elektrody B (zawierającej proszek węglowy i elektrolit), które są przygotowywane oddzielnie, a następnie mieszane razem, aby uzyskać ostateczną zawiesinę. Rozpuszczalnik wybrany do zawiesiny elektrody nie rozpuszcza obojętnych wzmocnień membrany ani PVDF, które są stosowane w konfiguracji membrany wzmocnionej tekstyliami. Dzięki temu ryzyko uszkodzenia już uzyskanej membrany podczas dodawania elektrod jest ograniczone do minimum.
- Przygotowanie roztworu elektrody A
- W kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszać ze sobą 2 g poli(fluorku winylidenu-ko-heksafluoropropylenu) (PVDF-HFP) i 24 ml 4-metylo-2-pentanonu (MP).
UWAGA: MP jest łatwopalny i silnie toksyczny. Używać dygestorium i środków ochrony osobistej. - Dodać mieszadło magnetyczne i zamknąć kolbę korkiem.
- Uszczelnić kolbę laboratoryjną folią stretch na bazie polietylenu.
- Mieszać roztwór ze średnią prędkością w temperaturze 70 °C za pomocą mieszadła magnetycznego i płyty grzejnej o regulowanej temperaturze, aż do całkowitego rozpuszczenia polimeru, zwykle przez noc.
UWAGA: W tym miejscu protokół można wstrzymać. Przygotowany roztwór można przechowywać w zamkniętym i szczelnym naczyniu przez dłuższy czas. Jeśli roztwór zamienił się w żel, podgrzej go ponownie (do 70 °C) i wymieszaj przed użyciem w kroku 2.3. Nie ma potrzeby dodawania większej ilości rozpuszczalnika. Zazwyczaj ilości podane w tej recepturze dają około 150cm2 materiału aktywnego (końcowa grubość kompozytu około 150 μm). Odpowiada to dwóm partiom ramek do haftu o średnicy 10 cm.
- W kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszać ze sobą 2 g poli(fluorku winylidenu-ko-heksafluoropropylenu) (PVDF-HFP) i 24 ml 4-metylo-2-pentanonu (MP).
- Przygotowanie zawiesiny elektrody B
- W innej kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszaj ze sobą 1,75 g węgla (np. węgiel pochodzącego z węglika z prekursora TiC lubB4C), 2 g cieczy jonowej (np. [EMIM][OTf]) i 10 ml MP.
UWAGA: Niepożądane efekty ładowania elektrostatycznego mogą bardzo utrudnić ważenie proszku węglowego. Podczas ważenia należy nosić obuwie rozpraszające ładunki elektrostatyczne, aby zmniejszyć gromadzenie się elektryczności statycznej. Ponadto należy stosować środki ochrony osobistej, aby zapobiec wdychaniu drobnych cząstek węgla. - Mieszać zawiesinę w zamkniętym naczyniu w temperaturze pokojowej przez co najmniej 1 godzinę za pomocą mieszadła magnetycznego. Alternatywnie, sonda ultradźwiękowa może być już użyta na tym etapie (patrz Krok 2.3.4)
UWAGA: Eksperyment można tutaj wstrzymać, a zawiesinę B można przechowywać lub mieszać w zamkniętym i szczelnym naczyniu przez dłuższy czas przed zmieszaniem jej z roztworem A w celu uzyskania końcowej zawiesiny elektrody.
- W innej kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszaj ze sobą 1,75 g węgla (np. węgiel pochodzącego z węglika z prekursora TiC lubB4C), 2 g cieczy jonowej (np. [EMIM][OTf]) i 10 ml MP.
- Przygotowanie końcowej zawiesiny elektrody
- Upewnij się, że polimer w roztworze A jest całkowicie rozpuszczony, lekko przechylając kolbę w celu wykrycia wszelkich nierozpuszczonych granulek (lub kawałków) polimeru i że roztwór jest w postaci lepkiej, ale płynnej. Jeśli nie, mieszaj w temperaturze 70 °C przed przejściem do następnego kroku.
- Wlać roztwór elektrody A (roztwór polimeru) do kolby zawierającej zawiesinę elektrody B (węgiel, ciecz jonowa, rozpuszczalnik).
- Użyć dodatkowych 10 ml MP, aby spłukać pozostały materiał ze ścianek kolby A i wlać go do końcowej zawiesiny w kolbie B.
- Zanurz sondę ultradźwiękową w końcowej zawiesinie, ustaw cykl na 0,5 (impulsy) i homogenizuj zawiesinę pod wyciągiem przez godzinę. Unikaj kontaktu sondy ze szklanymi ściankami naczynia. Alternatywnie, jeśli sonda ultradźwiękowa nie jest dostępna, można użyć mieszania z mieszadłem magnetycznym przez kilka godzin lub noc w szczelnie zamkniętym naczyniu.
UWAGA: W tym miejscu eksperyment można przerwać, a końcową zawiesinę elektrody można przechowywać lub mieszać w zamkniętym i szczelnym naczyniu przez dłuższy czas.
- Natryskiwanie elektrod
UWAGA: Do przygotowania elektrod używany jest tutaj aerograf Iwata HP TR-2. Jednak alternatywnie można zastosować inne typy pistoletów natryskowych i przemysłowe automatyczne systemy natryskowe.- Przykryj ścianki dygestorium wytrzymałym papierem i taśmą, aby ułatwić późniejsze czyszczenie. Nie zakrywaj obszaru wlotu powietrza. Podczas natryskiwania pokrywę dygestorium należy utrzymywać jak najniżej.
- Podłącz aerograf do źródła sprężonego powietrza i wyreguluj ciśnienie (tutaj stosuje się standardowe połączenia i ciśnienie 2 bary).
UWAGA: Ciśnienie powinno być wystarczające do przenoszenia zawiesiny, ale nie za wysokie, aby uszkodzić membranę. - Napełnij zbiornik aerografu acetonem (lub innym kompatybilnym rozpuszczalnikiem) i najpierw przetestuj natryskiwanie na kawałku papieru lub kartonu, aby sprawdzić, czy aerograf jest czysty i wolny od zatorów.
- Sprawdzić, czy zawiesina elektrody przygotowana w kroku 2.3 jest w postaci płynnej, przechylając kolbę. W niektórych przypadkach może przekształcić się w żel, jeśli jest przechowywany przez dłuższy czas. Podgrzej go do 70 °C, mieszając za pomocą mieszadła magnetycznego za pomocą płyty grzejnej o kontrolowanej temperaturze, aby ponownie zamienić go w płyn. Nie ma potrzeby dodawania większej ilości rozpuszczalnika.
- Wlać zawiesinę elektrody z kolby Erlenmeyera do czystego zbiornika aerografu.
- Najpierw przetestuj przepływ zawiesiny na kartce papieru. Następnie przejdź do przykrycia przygotowanej membrany.
- Zacznij poruszać aerografem przed rozpoczęciem natryskiwania. Rozpyl z odległości około 20 cm i trzymaj aerograf prostopadle do membrany. Utrzymuj aerograf w ruchu prostymi i kontrolowanymi pociągnięciami, aby pokryć całą membranę.
- Zwróć uwagę na liczbę zwojów potrzebnych do pokrycia jednej strony membrany lub alternatywnie monitoruj objętość zawiesiny dodawanej do zbiornika, aby zapewnić równe grubości elektrod po obu stronach membrany.
- Pozostaw elektrodę po jednej stronie membrany do wyschnięcia pod wyciągiem. W razie potrzeby można użyć pistoletu na gorące powietrze, aby przyspieszyć proces suszenia (patrz krok 1.5.9).
- Umieścić drugą elektrodę po drugiej stronie membrany, powtarzając kroki od 2.4.7 do 2.4.9.
- Pokryj obie strony membrany wielokrotnie, aż do osiągnięcia pożądanej grubości kompozytu (tutaj ostateczna całkowita grubość wynosiła około 150 μm). Monitorować grubość suchego kompozytu za pomocą mikrometrycznego sprawdzianu śrubowego.
UWAGA: W tym miejscu eksperyment można wstrzymać. Suchy kompozyt można przechowywać w torbie z zamkiem błyskawicznym przez dłuższy czas przed zamocowaniem złotych kolektorów prądowych w kroku 3.
3. Podłączanie złotych kolektorów prądu
- Przygotowanie roztworu kleju
UWAGA: Roztwór ten można przygotować z wyprzedzeniem wraz z zawiesiną elektrody (i roztworem membranowym). Pamiętaj, aby ponownie podgrzać klej przed użyciem, aby był mniej lepki.- W kolbie Erlenmeyera o pojemności 100 ml wymieszać ze sobą 2 g PVDF-HFP, 2 g cieczy jonowej (np. [EMIM][OTf]), 4 ml PC i 40 ml MP.
- Dodać mieszadło magnetyczne, zamknąć kolbę i uszczelnić ją laboratoryjną folią stretch na bazie polietylenu.
- Pozostawić roztwór mieszany w temperaturze 70 °C na płycie grzejnej o kontrolowanej temperaturze, aż polimer się rozpuści, zwykle przez noc.
- Mocowanie odbieraka prądu do kompozytu węglowego (z jednej strony)
- Delikatnie usuń z ramy materiał siłownika przygotowany w kroku 2.
- Wytnij kawałek o wymiarach 4 cm x 3 cm za pomocą linijki i skalpela. Jeśli użyto membrany wzmocnionej tkaniną, wyrównaj nacięcie z włóknami (widocznymi z krawędzi materiału kompozytowego).
UWAGA: Sugerowany rozmiar cięcia jest najwygodniejszy dla małych i średnich partii. Nie jest to jednak kluczowe dla uzyskania sprawnych siłowników. - Weź metalową rurkę (tutaj d = 3 cm) i mocno przymocuj do niej wycięty kawałek za pomocą taśmy. Staraj się zachodzić taśmą tylko na około 1 mm materiału siłownika, aby uniknąć marnowania materiału aktywnego.
UWAGA: Materiał, z którego wykonana jest rura lub jej powłoka, powinien być odporny na rozpuszczalniki, które zostały użyte w roztworze kleju. Dokładny skład nie jest kluczowy dla uzyskania działających siłowników. Materiały, które dobrze przewodzą ciepło (np. metale) mogą być korzystne w przyspieszeniu procesu suszenia. Jednak odpowiednie mogą być również rurki lub przewody ceramiczne lub polimerowe. - Za pomocą nożyczek wytnij kawałki złota o wymiarach 4 cm x 4 cm na papierze transferowym i umieść jeden z kawałków na bibułce.
UWAGA: Umieszczenie złotych liści na papierze transferowym na bardziej miękkiej powierzchni ma kluczowe znaczenie dla uzyskania dobrej jakości odbieraków prądu. - Przygotuj stację dokującą do pistoletu natryskowego, w której można go szybko i bezpiecznie przechowywać w pozycji pionowej. Klej zacznie wysychać, gdy tylko natryskiwanie zostanie przerwane, dlatego tak ważne jest, aby nie było opóźnień w stosowaniu złotych kolektorów prądu.
- Podczas pracy pod wyciągiem rozpylić roztwór kleju z kroku 3.1.3 na materiał siłownika, który został zamocowany na rurze (krok 3.2.3).
- Przeciągnij fajkę po złotym płatku (krok 3.2.4), gdy klej jest jeszcze mokry. Do walcowania nie jest potrzebny nadmierny nacisk.
- Wyjmij papier transferowy i ponownie przetocz bibułę, aby upewnić się, że złoto jest prawidłowo przymocowane.
- Umieść materiał w świetle podczerwonym (IR) (odległość od 10 do 15 cm) lub w piecu próżniowym (najwyższa możliwa próżnia w temperaturze pokojowej) do wyschnięcia przez około 20 do 30 minut.
- Jeśli odbierak prądu nie został prawidłowo podłączony lub występują większe wady, powtórz kroki od 3.2.3 do 3.2.9, aby dodać drugą warstwę po wyschnięciu pierwszej warstwy, aby uzyskać całkowicie wolny od wad odbierak prądu.
- Mocowanie odbieraka prądu po drugiej stronie kompozytu.
- Delikatnie usuń taśmę i uwolnij materiał z rury.
- Wyczyść fajkę acetonem i bibułą, aby usunąć wszelkie pozostałości kleju i złota.
- Ponownie zamocuj materiał siłownika na rurze stroną pokrytą złotem skierowaną w stronę rury.
- Powtórz kroki od 3.2.3 do 3.2.10, aby przymocować odbierak prądu również po drugiej stronie materiału.
- Ostrożnie wyjmij gotowy kompozyt z rury i pozostaw go do wyschnięcia pod wyciągiem na co najmniej 24 godziny.
UWAGA: Chronić materiał przed cząsteczkami kurzu. Po wyschnięciu materiał można przechowywać w woreczku z zamkiem błyskawicznym. Pozostawienie próbki do wyschnięcia na rurze w podwyższonej temperaturze przez dłuższy czas (od kilku godzin do kilku dni) powoduje termoformowanie siłownika i dlatego należy tego unikać, chyba że celem jest termoformowanie.
4. Cięcie, kształtowanie, nawiązywanie kontaktu i charakteryzacja siłowników
- Odcinanie siłownika
- Użyj ostrego skalpela (i metalowej linijki), aby przyciąć siłownik do pożądanego kształtu. Zawsze przycinaj materiał ze wszystkich stron, aby uniknąć zwarć spowodowanych nadmiarem złota po bokach siłownika.
UWAGA: Cięcie materiału nożyczkami nie jest wskazane, ponieważ może to spowodować deformację materiału i zwarcia po bokach próbki.
- Użyj ostrego skalpela (i metalowej linijki), aby przyciąć siłownik do pożądanego kształtu. Zawsze przycinaj materiał ze wszystkich stron, aby uniknąć zwarć spowodowanych nadmiarem złota po bokach siłownika.
- Kształtowanie siłownika (np. w chwytak)
UWAGA: Kształt tego polimerowego materiału kompozytowego można łatwo zmienić z płaskiego laminatu na coś bardziej zaawansowanego do ciekawszych zastosowań. W zależności od żądanej konfiguracji może być konieczne uprzednie dołączenie kontaktów.- Weź wycięty siłownik i umieść go w formie (np. w małej szklanej fiolce, jak pokazano na filmie).
- Umieścić próbkę w piecu na co najmniej 1 godzinę i podgrzać do temperatury 60 °C.
- Korzystanie z siłownika
UWAGA: W filmie pokazujemy niestandardowe styki magnetyczne i zmodyfikowane klipsy Kelvina do nawiązywania kontaktów. W obu przypadkach jedynym materiałem mającym bezpośredni kontakt z siłownikiem są płytki z 24-karatowego złota.- Zacisnąć siłownik między elektrochemicznie niereagującymi stykami (np. złoty).
UWAGA: Nacisk kontaktowy powinien być wystarczający do uzyskania niezawodnego kontaktu elektrycznego, ale nie zbyt wysoki, aby spowodować trwałe odkształcenia. - Zastosuj napięcie krokowe (lub prąd) lub użyj bardziej skomplikowanych sygnałów sterujących do sterowania siłownikiem. Zazwyczaj do napędzania tego typu siłowników stosuje się napięcia krokowe ±2 V lub mniejsze. Zobacz Ref24, aby uzyskać więcej informacji na temat zagadnień związanych ze sterowaniem siłownikami.
- Jednocześnie rejestruj uruchamianie za pomocą laserowego miernika przemieszczenia lub kamery wideo.
- Zacisnąć siłownik między elektrochemicznie niereagującymi stykami (np. złoty).
- Krioszczelinowanie do obrazowania SEM (siłowniki na bazie PTFE)
UWAGA: Rozbijanie próbek po zamrożeniu ich w ciekłym azocie jest preferowanym podejściem do uzyskiwania czystych przekrojów podczas obrazowania SEM.
UWAGA: Nigdy nie zamykaj szczelnie nakrętki pojemnika z ciekłym azotem. Wzrost ciśnienia i jego późniejsze uwolnienie może spowodować poważne obrażenia. Ponadto ciekły azot wrze w temperaturze -196 °C, dlatego należy również zachować ostrożność, aby zapobiec urazom spowodowanym niskimi temperaturami.- Wlej ciekły azot do pojemnika termoizolacyjnego (np. jednorazowego kubka piankowego)
- Najpierw umieść próbkę, a później metalowe narzędzia w ciekłym azocie i pozwól próbce zamarznąć przez około 1 minutę.
UWAGA: Zaleca się schładzanie metalowych narzędzi (np. skalpela lub pęsety), aby zapobiec ewentualnemu rozwarstwieniu spowodowanemu różnicami temperatur. Jednak narzędzia wymagają krótszych czasów chłodzenia niż kompozyt polimerowy dzięki lepszej przewodności cieplnej metali. Co więcej, zbyt głęboko schłodzone narzędzia metalowe mogą być niemożliwe w obsłudze. - Chwyć zamrożoną próbkę za pomocą dwóch zestawów schłodzonych pęset i rozbij ją.
- Krioszczelinowanie do obrazowania SEM (siłowniki wzmocnione tkaniną).
UWAGA: Siłowniki wzmocnione tekstyliami (zwłaszcza jeśli używane jest włókno szklane) mogą nie pękać nawet w stanie zamrożonym. Czyste przekroje można uzyskać poprzez cięcie za pomocą chłodzonego ostrza.- Zamrozić siłownik i skalpel w ciekłym azocie (patrz uwaga w kroku 4.4.2).
- Zamrożoną próbkę należy umieścić na nieprzywierającej powierzchni tnącej (np. bloku PTFE) i rozdrobnić materiał siłownika za pomocą schłodzonego skalpela.
Wyniki
Głównym punktem końcowym pozwalającym odróżnić udany eksperyment od nieudanego jest reakcja materiału na sygnały elektryczne po podłączeniu do zasilacza. W inżynierii elektrycznej miedź jest powszechnie znanym materiałem do tworzenia połączeń. Jednak miedź jest również aktywna elektrochemicznie i w związku z tym nie nadaje się do tworzenia kontaktów z wprowadzonym tutaj układem jonowym. Zastosowanie miedzianych styków mogłoby spowodować zwarcia z powodu tworzenia się dendrytów w kompozycie. Co więcej, podczas charakteryzacji materiału niemożliwe jest odróżnienie prądów (i aktuacji) pochodzących z materiału elektroaktywnego od tych wynikających z aktywności elektrochemicznej miedzi29. Wykazaliśmy wcześniej, że aktuacja – choć niewiarygodna – bez żadnego dodanego materiału aktywnego (tj. bez elektrod opartych na węglu lub polimerów przewodzących) jest możliwa w przypadku mokrych membran jonomerycznych (np. Nafion) i samych miedzianych zacisków29. Dlatego wszystkie eksperymenty z materiałem aktywnym przeprowadzono tutaj wyłącznie przy użyciu inertnych styków złotych.
Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna (EIS) jest nieniszczącą metodą charakteryzacji i rozwiązywania problemów związanych z materiałem siłownika pojemnościowego przed jego użyciem. Widma impedancji na Rysunku 4C i 4D zostały zarejestrowane przy użyciu potencjostatu/galwanostatu/FRA w konfiguracji dwuelektrodowej. Próbkę (20 mm x 4 mm x 150 µm) umieszczono pomiędzy kontaktami złoconymi, amplitudę sygnału wejściowego podczas pomiaru impedancji ustawiono na 5 mVRMS, a skanowanie przeprowadzono w zakresie częstotliwości od 20 kHz do 0,01 Hz. Rysunek 4C i 4D przedstawiają typowe widma impedancji odpowiednio dla siłowników o wysokiej (~30 Ω cm2) lub niskiej (~5 Ω cm2) rezystancji wewnętrznej. Widma zarejestrowano odpowiednio dla próbki z suchą membraną PTFE oraz dla próbki z membraną namoczoną. Wyższa przewodność jonowa materiału ma tendencję do odpowiadania szybszym siłownikom i być może większemu przemieszczeniu przy tej samej częstotliwości wzbudzenia (patrz Rysunek 4B), jeżeli wszystkie pozostałe parametry (np. parametry mechaniczne) pozostaną niezmienione, a materiał w ogólności jest aktywny.
Nieniszczący charakter EIS jest szczególnie korzystny przy wykrywaniu zwarć w kompozycie. W przypadku siłowników przygotowanych zgodnie z niniejszym protokołem, zwarcia są najczęściej spowodowane pozostałościami kolektora prądu na bokach siłownika (patrz instrukcje cięcia w kroku 4.1.1) lub rzadziej wadliwą membraną (np. gdy nie wszystkie otwory w membranie wzmocnionej tekstyliami zostały zakryte zgodnie z instrukcją w sekcji 1.5). Rezystor (w tym przypadku zwarcie) byłby przedstawiony jako punkt na wykresie Nyquista w eksperymencie EIS. Zaobserwowanie takiej odpowiedzi jest jednoznacznym wskaźnikiem wadliwej próbki (patrz ryciny 4C i 4D w celu zapoznania się ze spektrami referencyjnymi funkcjonalnych siłowników pojemnościowych). Próbki ze zwarciem zazwyczaj nie będą działać. Co więcej, najczęściej stałyby się one trwale bezużyteczne z powodu nagrzewania rezystancyjnego i wynikającego z niego stopienia kompozytu podczas próby uruchomienia.
W swojej funkcjonalnej formie materiał ten jest kondensatorem dwuwarstwowym, który wykazuje ruch zginania w odpowiedzi na ładowanie i rozładowanie warstwy podwójnej, dzięki specjalnie dobranym elektrolitom zastosowanym podczas jego produkcji. Woltametria cykliczna (CV) jest szeroko stosowaną techniką w elektrochemii do badania różnych układów. Podczas eksperymentu CV potencjał elektrody roboczej (w tym przypadku jednej z elektrod siłownika) jest zmieniany względem elektrody przeciwnej (tutaj drugiej elektrody siłownika) ze stałą prędkością (np. 80 mV/s pomiędzy ±2 V), a odpowiedź prądowa układu jest rejestrowana za pomocą potencjostatu. Typowa odpowiedź prądowa laminatu pojemnościowego przedstawiona jest na Rysunku 4E. Odpowiedź prądowa próbki z nasączoną membraną PTFE (kolor ciemnoszary na 4E) przypomina odpowiedź idealnego kondensatora: prąd nie zależy od potencjału elektrody, a po odwróceniu potencjału kierunek prądu (a zatem jego znak) zmienia się (niemal) natychmiastowo, co skutkuje (prawie) prostokątnym woltamogramem. Odpowiedź prądowa próbki z początkowo suchą membraną (kolor różowy na 4E) wykazuje mniej idealne zachowanie kondensatora przy tej prędkości skanowania, prawdopodobnie ze względu na wysoką rezystancję wewnętrzną materiału (co potwierdza również EIS na Rysunku 4C). Mimo to obie próbki wykazują pojemnościowy charakter kompozytu. Z kolei jasnoszare linie na Rysunku 4E pokazują możliwe zachowanie wadliwych próbek (np. tych z krótkim zwarciem), które ściśle podążałyby za prawem Ohma.
Wydajność różnych siłowników funkcjonalnych przedstawiono na Rysunku 4A oraz Rysunku 4B. Rysunek 4A pokazuje klatki z filmu, na których 5-palczasty siłownik termoformowany chwyta, trzyma i uwalnia obiekt o nieregularnym kształcie w odpowiedzi na skokowe zmiany napięcia. Do celów charakterystyki materiałowej zazwyczaj stosuje się prostsze geometrie. Na przykład Rysunek 4B przedstawia maksymalny kąt zgięcia suchych i namoczonych siłowników z membrany PTFE28,30 w odpowiedzi na trójkątne sygnały napięcia w zakresie ±2 V. W celu charakterystyki różnych materiałów siłownikowych próbki (4 mm x 20 mm x 150 µm) umieszczano pomiędzy złotymi zaciskami w pozycji wspornikowej (pozostawiając 18 mm wolnej długości dla aktywacji), a kąt zgięcia rejestrowano za pomocą kamery wideo. Alternatywnie, zazwyczaj monitorowano w czasie ruch pojedynczego punktu wzdłuż siłownika (np. 5 mm od styków) i wykorzystywano go do obliczeń różnicy odkształceń31,32. Przetwarzanie wideo, choć bardziej złożone, dostarcza więcej informacji o całym profilu zgięcia próbki i umożliwia również ponowną analizę wydajności w późniejszym czasie, jeśli pojawi się taka potrzeba. Punkt 0,1 Hz na Rysunku 4B odpowiada dokładnie temu samemu sygnałowi, który został użyty w eksperymentach z woltametrią cykliczną na Rysunku 4E, zarówno pod względem napięcia aktywacji, jak i częstotliwości aktywacji. Zastosowanie tego samego sygnału do charakterystyki i aktywacji pozwala nam na przykład wyciągnąć wnioski dotyczące pojemnościowej natury materiału oraz stabilności i braku reakcji elektrochemicznych podczas aktywacji.
Metody elektrochemiczne (EIS, CV), wizualizacja struktury aktuatora w skali (zazwyczaj) mikrometrycznej (SEM) oraz charakterystyka przemieszczenia to najpowszechniejsze metody charakteryzacji aktuatorów jonowych i oceny powodzenia procesu wytwarzania. Często jednak opracowuje się dedykowane eksperymenty w celu oceny wydajności aktuatora w bardziej specyficznych zastosowaniach (np. zdolności do przenoszenia obciążenia).
Rysunek 3: Obrazowanie. Mikrografie z pomiaru skaningowego elektronowego przedstawiające wysoce porowatą membranę PTFE (A) oraz przekrój poprzeczny siłownika wykonanego z tej samej membrany, który nie wykazuje delaminacji (C). Mikrografia SEM przedstawiająca przekrój poprzeczny siłownika wzmocnionego tekstyliami (D) oraz fotografia optyczna odpowiadającego wzmocnienia jedwabnego (BPróbki do przekrojów SEM poddano najpierw kriopękaniu w ciekłym azocie, zamocowano w metalnym uchwycie do próbek, a następnie napylono na nie 5 nm złota za pomocą napylacza w celu uzyskania lepszej rozdzielczości. Do obrazowania wykorzystano nadblatowy skaningowy mikroskop elektronowy przy napięciu przyspieszającym 15 keV. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Rysunek 4: Reprezentatywne wyniki działania siłownika. (A) Skoki napięcia i odpowiadające im obrazy pięcioramiennego chwytaka elastycznie chwytającego obiekt o przypadkowym kształcie (siłownik bez kontaktów 21 mg; obciążenie z pianki polistyrenowej 17,8 mg); (B) całkowity kąt zgięcia 4 mm x 20 mm x 150 µm Aktuatory na bazie PTFE zaciśnięte pomiędzy złotymi kontaktami (wolna długość 18 mm) w odpowiedzi na trójkątny sygnał sterujący (±2 V) przy różnych częstotliwościach sterowania (n=3, słupki błędów reprezentują jedno odchylenie standardowe średniej); (C i D) typowe widma impedancji elektrochemicznej elektromechanicznie aktywnych laminatów pojemnościowych (5 mVRMS (wartość skuteczna) amplituda sygnału); (E) typowa woltamperometria cykliczna laminatów pojemnościowych (trójkątny sygnał wzbudzenia z szybkością skanowania 80 mV/s, co odpowiada punktom 0,1 Hz w B). Szare linie na woltamperogramach cyklicznych służą do porównania i przedstawiają odpowiedź potencjalnie wadliwego siłownika (w zasadzie rezystora), który ściśle odpowiadałby prawu Ohma. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 5: Suszenie wirowaniem podczas przygotowywania membrany. (A) schematy układu (B) obraz zestawu z przymocowaną ramką z wzmocnieniem. Podczas suszenia wirowego siła odśrodkowa kieruje pozostały rozpuszczalnik w warstwie membrany w stronę krawędzi ramki. Może to być korzystne w celu przyspieszenia procesu suszenia. Jednak w przypadku całkowicie mokrych membran może to doprowadzić do utraty materiału aktywnego (polimeru i cieczy jonowej), czego należy zatem unikać. Aby wyświetlić większą wersję tego rysunku, kliknij tutaj.
Dyskusja
Zaprezentowaliśmy prostą, szybką, powtarzalną i wszechstronną metodę wytwarzania jonowo-elektromechanicznie aktywnego kompozytu do różnych zastosowań siłowników, a z niewielkimi modyfikacjami również do zastosowań związanych z magazynowaniem energii, zbieraniem33 lub wykrywaniem34 . Obecna metoda koncentruje się na membranach z integralnym elementem pasywnym i chemicznie obojętnym (np. siecią polimerową wzmocnioną tkaniną lub wysoce porowatą membraną teflonową, patrz również rysunek 3), ponieważ takie membrany znacznie upraszczają proces przygotowania siłownika również na dużą skalę. Co więcej, powstałe membrany mają mniejsze ryzyko pęcznienia i wyboczenia z powodu rozpuszczalników (lub elektrolitu) w zawiesinie elektrody lub tworzenia się gorących punktów zwarć w porównaniu z wieloma innymi popularnymi metodami i materiałami do produkcji siłowników.
Krytycznymi etapami przygotowania laminatu siłownika pojemnościowego są przygotowanie membrany, produkcja elektrod, zamocowanie odbieraka prądu, cięcie i styk (ilustracja 2). Każdy z tych kroków pozostawia miejsce na dostosowanie i optymalizację wydajności, ale także na błędy. W następnej sekcji omówimy bardziej szczegółowo korzystne modyfikacje i strategie rozwiązywania problemów związane z tą metodą wytwarzania. Wysokowydajny kompozyt wynika z wzajemnego oddziaływania kilku kluczowych aspektów, o których należy pamiętać: wystarczająca przewodność elektronowa wzdłuż elektrody (dodać złoty kolektor prądu do elektrod węglowych); wystarczająca przewodność jonowa przez membranę (użyj cienkiej porowatej membrany i wystarczającej ilości elektrolitu o niskiej lepkości, zmniejsz ryzyko niekorzystnych interakcji między membraną a elektrolitem dzięki zastosowaniu obojętnej sieci polimerowej); duża powierzchnia elektrody (wybrać odpowiedni rodzaj węgla); dostosowane elektrolity, które powodują asymetryczne pęcznienie/kurczenie się elektrod (wybierz odpowiedni elektrolit); parametry mechaniczne (moduły Younga składowych). Te główne aspekty wysokowydajnego siłownika na bazie węgla są również podkreślone na rysunku 1B.
Centralną częścią tego kompozytu jest membrana o wysokiej wydajności. Ma dwa zadania: zapobiegać przewodności elektronowej (zwarciom) między elektrodami, jednocześnie umożliwiając wysoką przewodność jonową. Modyfikacje membrany mogą służyć kilku celom, na przykład integracji narzędzi wprowadzonej przez Must i wsp.24 lub dodaniu nowych właściwości (np. biokompatybilności, biodegradowalności lub różnych właściwości mechanicznych). Obecna metoda wytwarzania może zostać zmodyfikowana w celu wykorzystania innych polimerów i elektrolitów w membranie w celu wprowadzenia nowych właściwości do aktywnego laminatu. Podobnie jak w przypadku strategii doboru rozpuszczalników wprowadzonej tutaj dla siłowników wzmocnionych tkaniną, zaleca się wybór gorszych rozpuszczalników do późniejszej produkcji elektrod w porównaniu z preparatem membranowym. Dzięki temu membrana pozostaje funkcjonalna i nienaruszona również po dodaniu elektrod.
Na wydajność uruchamiania końcowego kompozytu ma wpływ wybrany materiał elektrody (węgiel), elektrolit i ewentualnie ich wzajemna kompatybilność. Protokół ten wprowadza wytwarzanie laminatów pojemnościowych na bazie węgla przy użyciu węgla pochodzącego z węglika boru i cieczy jonowej 1-etylo-3-metyloimidazolium trifluorometanosulfonianu ([EMIM][OTf]). Ten sam protokół można jednak zaadaptować do innych materiałów węglowych o dużej powierzchni właściwej, takich jak węgle pochodzące z węglików z innych źródeł (np. TiC35, SiC lub Mo2C36), nanorurki węglowe 8,37, aerożel węglowy38 lub grafen39 i inne, które również zostały niedawno poddane przeglądowi40. Co więcej, w przygotowaniu siłownika można zastosować również inne elektrolity. Uzyskanie funkcjonalnego kompozytu nie ogranicza się do typów węgla i cieczy jonowych przedstawionych w tym protokole. Wielkość cząstek węgla, ich ewentualna aglomeracja w zawiesinie elektrody oraz lepkość zawiesiny są bardziej istotnymi parametrami w procesie powlekania natryskowego.
Metoda ta umożliwia wytwarzanie elektromechanicznie aktywnego materiału laminowanego o powtarzalnych właściwościach w dużych ilościach. Miniaturyzacja siłowników wykonanych z tego materiału odbywa się głównie za pomocą precyzyjnego cięcia (np. rysunek 3C). Alternatywne metody przygotowania drobnych struktur, takie jak maskowanie i modelowanie, są możliwe podczas powlekania natryskowego41. Co więcej, struktury w skali milimetrowej mogą być również wzorowane na kolejnym kroku mocowania złotego kolektora prądu. Jednak w skali submilimetrowej może to stać się dość trudne. Inne typy siłowników lub siłowników na bazie węgla bez złotych kolektorów prądu mogą być łatwiejsze do przygotowania, jeśli cechy wzorcowe muszą znajdować się w skali mikrometrycznej.
Siłowniki z natury miękkie, które reagują na bodźce elektryczne, mają wiele zalet dzięki miękkiemu i podatnemu charakterowi, cichej pracy i niskim wymaganym poziomom napięcia. Obecny protokół pokazuje, jak produkować taki materiał w większych ilościach i z wysoką powtarzalnością między partiami i wewnątrz partii bez uszczerbku dla wydajności uruchamiania. W przyszłości przewiduje się modyfikacje obecnej metody w celu włączenia bardziej przyjaznych dla biologii, a być może także biodegradowalnych komponentów, które umożliwiłyby działanie w pobliżu lub wewnątrz organizmów żywych, a także skuteczne podejścia do całkowitej enkapsulacji, a także integrację wprowadzonego materiału aktywnego z miękkimi urządzeniami robotycznymi lub biomedycznymi.
Oświadczenia
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
Autorzy chcieliby podziękować Ronowi Hovenkampowi i Marcelowi Mulderowi z Philips Research za pomocne dyskusje. Prace te były częściowo wspierane przez instytucjonalne finansowanie badań naukowych IUT (IUT 20-24) estońskiego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych, przez grant Estońskiej Rady ds. Badań Naukowych (PUT1696), przez Europejski Fundusz Rozwoju Regionalnego, przez program Mobilitas Pluss (grant nr MOBTP47), przez program Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań naukowych i innowacji w ramach umowy o udzielenie dotacji nr 793377 w ramach działania "Maria Skłodowska-Curie" (BIOACT), oraz w ramach projektu IMPACT-MII, innowacyjnego projektu EIT w dziedzinie zdrowia. EIT Health jest wspierany przez EIT, organ Unii Europejskiej.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| ~150 &mikro; m grube złote płytki do niestandardowych kontaktów | lokalny jubiler | 99,9% czystości (24K) | |
| 1-etylo-3-metyloimidazolium trifluorometanosulfonian ([EMIM][OTf]) | Soltionic | 99,5% | |
| 100 ml Kolba | |||
| 4-metylo-2-pentanon (MP) | Sigma Aldrich | ≥ 99% | |
| aceton | waga | ||
| analityczna | Mettler Toledo AB204-S / PH | ||
| proszek węglowy | Y Węgiel | węgiel pochodzący z węglika boru, wielkość cząstek < 10 &mikro; m, powierzchnia właściwa 1800 m2/g, objętość porów 0,5 cm3/g | |
| proszek węglowy | Skeleton Technologies | krążkowe węglowe na bazie węglika tytanu | |
| (neodym) do niestandardowych kontaktów | lokalny magazyn | d = 2 mm, grubość 1 mm | |
| dopływ sprężonego powietrza do aerografu | |||
| zaciski krokodylkowe ze szczękami odizolowanymi od siebie (klipsy Kelvina) | lokalny sklep | Opcjonalnie do tworzenia niestandardowych kontaktów. Zwykłe zaciski krokodylkowe nie są odpowiednie, ponieważ tam szczęki są połączone ze sobą na sprężynie. | |
| jednorazowy kubek | |||
| klej epoksydowy | lokalny sklep | preferaby szybko utwardzalna żywica epoksydowa do mocowania złotych styków do magnesów | |
| bibuła filtracyjna do suszenia | Munktell, Filtrak | np. średnica 150 mm i większa, jeśli używany jest arkusz PTFE 142 mm. | |
| pęseta płaska, | |||
| szklany lejek | |||
| płatki złota na arkuszach transferowych | Giusto Manetti, Battiloro | 24K | |
| szklana suszarka z | |||
| suszarka do włosów lub opalarka | , np. żarówka | ||
| , | |||
| ciekły azot | UWAGA: Nigdy nie zamykaj szczelnie pokrywy pojemnika z ciekłym azotem. Wzrost ciśnienia może spowodować poważne obrażenia. | ||
| mieszadło magnetyczne / płyta | |||
| mieszadło magnetyczne pręty | długości około 1 cm | ||
| rura | , np. d = 3 cm | ||
| , linijka metalowa, | |||
| mikrometryczny miernik grubości | Mitotuyo | zakres 0-25 mm, dokładność 0,001 mm | |
| N,N-dimetyloacetamid (DMAc) | Sigma Aldrich | 99,5% | |
| paintbursh | |||
| plastikowe tamborki do haftu | np. Kucyk | wybierz średnicę w zależności od żądanej wielkości partii (np. 7,5 cm do 25 cm) | |
| plastikowe pipety Pasteura laboratoryjna | |||
| folia stretch na bazie polietylenu | DuraSeal | ||
| polifluorek winylidenu-co-heksafluoropropylen (PVDF-HFP) | Sigma Aldrich | Mn = 130000, Mw = 400000 | |
| polifluorek winylidenu (PVDF) | Sigma Aldrich | Mw (g/mol) = 534000 | |
| potencjostat/galwanostat/FRA | PARSTAT 2273 | potrzebny do charakterystyki elektrochemicznej | |
| węglanu propylenu (PC) | Merck | 99% | |
| PTFE membrana filtracyjna | Omnipore | JVWP14225 | 0,1 & mikro; m wielkość porów, hydrofilowy, 142 mm średnicy, 30 &mikro; m grubość, porowatość 80% Porowatość |
| Membrana filtracyjna PTFE | Omnipore | JGWP14225 | 0,2 & mikro; m wielkość porów, hydrofilowy, 142 mm średnicy, 65 &mikro; m grubość, 80% porowatości |
| skalpel | |||
| taśma | |||
| jedwab (tkanina tkana) | Esaki Model Manufacturing | #3 | 11,5 g/m2sprzęt |
| lutowniczy | lokalny sklep | Do podłączenia ~150 µ m złote płytki do klipsów | |
| pistolet natryskowy, aerograf | Iwata HP TR-2 | ||
| napylacz napylany | Leica EM ACE600 | ||
| stołowy skaningowy mikroskop elektronowy | Hitachi TM3000 | ||
| ultradźwiękowy | Hielscher UP200S |
Bibliografia
- Must, I., et al. Ionic and Capacitive Artificial Muscle for Biomimetic Soft Robotics. Advanced Engineering Materials. 17 (1), 84-94 (2015).
- McGovern, S., Alici, G., Truong, V. T., Spinks, G. Finding NEMO (novel electromaterial muscle oscillator): A polypyrrole powered robotic fish with real-time wireless speed and directional control. Smart Materials and Structures. 18 (9), (2009).
- Hines, L., Petersen, K., Lum, G. Z., Sitti, M. Soft Actuators for Small-Scale Robotics. Advanced Materials. 29 (13), (2017).
- Carpi, F. Electromechanically Active Polymers. , Springer International Publishing. Cham. (2016).
- Bar-Cohen, Y., Anderson, I. A. Electroactive polymer (EAP) actuators-background review. Mechanics of Soft Materials. 1 (1), 5(2019).
- Schmitt, F., Piccin, O., Barbé, L., Bayle, B. Soft robots manufacturing: A review. Frontiers Robotics AI. 5, (2018).
- Rosset, S., Araromi, O. a, Schlatter, S., Shea, H. R. Fabrication Process of Silicone-based Dielectric Elastomer Actuators. Journal of Visualized Experiments. (108), 1-13 (2016).
- Fukushima, T., Asaka, K., Kosaka, A., Aida, T. Fully Plastic Actuator through Layer-by-Layer Casting with Ionic-Liquid-Based Bucky Gel. Angewandte Chemie International Edition. 44 (16), 2410-2413 (2005).
- Takeuchi, I., et al. Electromechanical behavior of fully plastic actuators based on bucky gel containing various internal ionic liquids. Electrochimica Acta. 54 (6), 1762-1768 (2009).
- Mukai, K., et al. High performance fully plastic actuator based on ionic-liquid-based bucky gel. Electrochimica Acta. 53 (17), 5555-5562 (2008).
- Fedkiw, P. S., Her, W. H. An Impregnation-Reduction Method to Prepare Electrodes on Nafion SPE. Journal of the Electrochemical Society. 136 (3), 899-900 (1989).
- Akle, B. J., Bennett, M. D., Leo, D. J., Wiles, K. B., McGrath, J. E. Direct assembly process: a novel fabrication technique for large strain ionic polymer transducers. Journal of Materials Science. 42 (16), 7031-7041 (2007).
- Akle, B., Nawshin, S., Leo, D. Reliability of high strain ionomeric polymer transducers fabricated using the direct assembly process. Smart Materials and Structures. 16 (2), 1-6 (2007).
- Otero, T. F., Angulo, E., Rodríguez, J., Santamaría, C. Electrochemomechanical properties from a bilayer: polypyrrole / non-conducting and flexible material - artificial muscle. Journal of Electroanalytical Chemistry. 341 (1-2), 369-375 (1992).
- Smela, E., Inganäs, O., Pei, Q., Lundström, I. Electrochemical muscles: Micromachining fingers and corkscrews. Advanced Materials. 5 (9), 630-632 (1993).
- Simaite, A., Mesnilgrente, F., Tondu, B., Souères, P., Bergaud, C. Towards inkjet printable conducting polymer artificial muscles. Sensors and Actuators B: Chemical. 229, 425-433 (2016).
- Põldsalu, I., Mändmaa, S. -E., Peikolainen, A. -L., Kesküla, A., Aabloo, A. Fabrication of ion-conducting carbon-polymer composite electrodes by spin-coating. Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). , 943019(2015).
- Kaasik, F., et al. Scalable fabrication of ionic and capacitive laminate actuators for soft robotics. Sensors and Actuators, B: Chemical. 246, 154-163 (2017).
- Sugino, T., Shibata, Y., Kiyohara, K., Asaka, K. Actuation mechanism of dry-type polymer actuators composed by carbon nanotubes and ionic liquids. Sensors and Actuators, B: Chemical. 273, 955-965 (2018).
- Conway, B. E. Transition from "Supercapacitor" to "Battery" Behavior in Electrochemical Energy Storage. Journal of The Electrochemical Society. 138 (6), 1539(1991).
- White, B. T., Long, T. E. Advances in Polymeric Materials for Electromechanical Devices. Macromolecular Rapid Communications. 40 (1), 1-13 (2019).
- Addinall, R., et al. Integration of CNT-based actuators for bio-medical applications - Example printed circuit board CNT actuator pipette. IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, AIM. , 1436-1441 (2014).
- Zhang, J., Wu, J., Yu, J., Zhang, X., He, J., Zhang, J. Application of ionic liquids for dissolving cellulose and fabricating cellulose-based materials: State of the art and future trends. Materials Chemistry Frontiers. 1 (7), 1273-1290 (2017).
- Must, I., Rinne, P., Krull, F., Kaasik, F., Johanson, U., Aabloo, A. Ionic Actuators as Manipulators for Microscopy. Frontiers in Robotics and AI. 6, (2019).
- Torop, J., Palmre, V., Arulepp, M., Sugino, T., Asaka, K., Aabloo, A. Flexible supercapacitor-like actuator with carbide-derived carbon electrodes. Carbon. 49 (9), 3113-3119 (2011).
- Torop, J., Sugino, T., Asaka, K., Jänes, A., Lust, E., Aabloo, A. Nanoporous carbide-derived carbon based actuators modified with gold foil: Prospect for fast response and low voltage applications. Sensors and Actuators B: Chemical. 161 (1), 629-634 (2012).
- Vella, D. Buffering by buckling as a route for elastic deformation. Nature Reviews Physics. 1 (7), 425-436 (2019).
- Rinne, P., et al. Encapsulation of ionic electromechanically active polymer actuators. Smart Materials and Structures. , (2019).
- Nakshatharan, S. S., Punning, A., Johanson, U., Aabloo, A. Effect of electrical terminals made of copper to the ionic electroactive polymer actuators. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering. 10163, 101632(2017).
- Punning, A., et al. Ionic electroactive polymer artificial muscles in space applications. Scientific Reports. 4 (1), 6913(2014).
- Sugino, T., Kiyohara, K., Takeuchi, I., Mukai, K., Asaka, K. Actuator properties of the complexes composed by carbon nanotube and ionic liquid: The effects of additives. Sensors and Actuators B: Chemical. 141 (1), 179-186 (2009).
- Punning, A., Vunder, V., Must, I., Johanson, U., Anbarjafari, G., Aabloo, A. In situ scanning electron microscopy study of strains of ionic electroactive polymer actuators. Journal of Intelligent Material Systems and Structures. 27 (8), 1061-1074 (2016).
- Must, I., Kaasik, F., Põldsalu, I., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. A carbide-derived carbon laminate used as a mechanoelectrical sensor. Carbon. 50 (2), 535-541 (2012).
- Kruusamäe, K., Punning, A., Aabloo, A. Electrical model of a carbon-polymer composite (CPC) collision detector. Sensors. 12 (2), Basel, Switzerland. 1950-1966 (2012).
- Palmre, V., et al. Nanoporous carbon-based electrodes for high strain ionomeric bending actuators. Smart Materials and Structures. 18 (9), 095028(2009).
- Torop, J., et al. Microporous and mesoporous carbide-derived carbons for strain modification of electromechanical actuators. Langmuir. 30 (10), 2583-2587 (2014).
- Baughman, R. H. Carbon Nanotube Actuators. Science. 284 (5418), 1340-1344 (1999).
- Palmre, V., et al. Electroactive polymer actuators with carbon aerogel electrodes. Journal of Materials Chemistry. 21 (8), 2577(2011).
- Lu, L., et al. Highly stable air working bimorph actuator based on a graphene nanosheet/carbon nanotube hybrid electrode. Advanced Materials. 24 (31), 4317-4321 (2012).
- Kong, L., Chen, W. Carbon Nanotube and Graphene-based Bioinspired Electrochemical Actuators. Advanced Materials. 26 (7), 1025-1043 (2014).
- Nakshatharan, S. S., Johanson, U., Punning, A., Aabloo, A. Modeling, fabrication, and characterization of motion platform actuated by carbon polymer soft actuator. Sensors and Actuators, A: Physical. 283, 87-97 (2018).
Przedruki i uprawnienia
