Summary
Denna artikel beskriver en snabb och enkel tillverkningsprocess av joniska elektromekaniskt aktiva kompositmaterial för ställdon i biomedicinska, biomimetiska och mjuka robotteknik applikationer. De viktigaste tillverkningsstegen, deras betydelse för ställdonens slutliga egenskaper och några av huvudkarakteriseringsteknikerna beskrivs i detalj.
Abstract
Joniska elektromekaniskt aktiva kapacitiva laminat är en typ av smart material som rör sig som svar på elektrisk stimulering. På grund av den mjuka, kompatibla och biomimetiska karaktären hos denna deformation har ställdon tillverkade av laminatet fått ett ökat intresse för mjuk robotik och (bio)medicinska tillämpningar. Det behövs dock metoder för att enkelt tillverka det aktiva materialet i stora (jämna industriella) mängder och med en hög batch-till-sats och repeterbarhet inom partiet för att överföra kunskapen från laboratorium till industri. Detta protokoll beskriver en enkel, industriellt skalbar och reproducerbar metod för tillverkning av joniska kolbaserade elektromekaniskt aktiva kapacitiva laminat och beredning av ställdon gjorda därav. Införandet av ett passivt och kemiskt inert (olösligt) mellanskikt (t.ex. ett textilförstärkt polymernätverk eller mikroporös Teflon) skiljer metoden från andra. Protokollet är uppdelat i fem steg: membranberedning, elektrodberedning, nuvarande kollektortillsats, skärning och formning samt aktivering. Efter protokollet resulterar i ett aktivt material som till exempel kan ta tag i och hålla ett slumpmässigt format objekt som visas i artikeln.
Introduction
Joniska elektromekaniskt aktiva polymera eller polymera kompositer är i sig mjuka och kompatibla material som har fått allt större intresse för olika mjuka robottekniker och biomimetiska tillämpningar (t.ex. som ställdon, gripdon eller bioinspirerade robotar1,2). Denna typ av material reagerar på elektriska signaler i intervallet några volt, vilket gör dem lätta att integrera med konventionell elektronik och kraftkällor3. Många olika typer av joniska ställdon basmaterial finns tillgängliga, som beskrivs i detalj någon annanstans4, och återigen helt nyligen5. Dessutom har det särskilt betonats nyligen att utvecklingen av mjuka robotutrustning kommer att vara mycket nära relaterad till utvecklingen av avancerade tillverkningsprocesser för relevanta aktiva material och komponenter6. Dessutom har betydelsen av ett effektivt och väletablerat processflöde vid utarbetandet av reproducerbara ställdon som har potential att gå från laboratoriet till industrin också lyfts fram i tidigare metodbaserade studier7.
Under de senaste decennierna har många tillverkningsmetoder utvecklats eller anpassats för beredning av ställdon (t.ex. lager-för-lager gjutning8 och hot-pressning9,10, impregnering-reduktion11, målning12,13, eller sputtring och efterföljande elektrokemisk syntes14,,15,bläckstråleskrivare16 och spin-coating17); vissa metoder är mer universella, och vissa är mer begränsande när det gäller materialval än andra. Men många av de nuvarande metoderna är ganska komplicerade och / eller mer lämpade för laboratorieskala tillverkning. Det nuvarande protokollet fokuserar på en snabb, repeterbar, tillförlitlig, automatiserad och skalbar ställdon tillverkningsmetod för att producera aktiva laminat med låg batch-till-batch och inom-batch variabilitet och en lång ställdon livslängd18. Denna metod kan användas av materialforskare för att utveckla högpresterande ställdon för nästa generations bioinspirerade applikationer. Dessutom, efter denna metod utan ändringar ger mjuk robotteknik ingenjörer och lärare ett aktivt material för utveckling och prototyper av nya enheter, eller för undervisning mjuk robotik begrepp.
Joniska elektromekaniskt aktiva polymera eller polymera ställdon är vanligtvis tillverkade av två- eller treskikts laminära kompositer och böjs som svar på elektrisk stimulering i intervallet få volt (figur 1). Denna böjningsrörelse orsakas av svullnads- och kontraktionseffekterna i elektrodlagren, och den förs vanligtvis med sig antingen av faradaiska (redox) reaktioner på elektroderna (t.ex. vid elektromekaniskt aktiva polymerer (EAPs) som de ledande polymererna) eller genom kapacitiv laddning av dubbelskiktet (t.ex. i kolbaserade polymerelektroder, där polymeren bara kan fungera som ett bindemedel). I detta protokoll (figur 2) fokuserar vi på det senare. vi visar tillverkning av en elektromekaniskt aktiv komposit som består av två hög specifika yta elektroniskt ledande kolbaserade elektroder som är åtskilda av en inert jon-ledande membran som underlättar förflyttning av katjoner och anjoner mellan elektroderna - en konfiguration mycket lik superkondensatorer. Denna typ av ställdon böjer sig som svar på kapacitiv laddning/urladdning och den resulterande svullnad/sammandragning av elektroderna tillskrivs vanligtvis skillnaderna i volymen och rörligheten för katjoner och anjoner av elektrolyten8,10,19. Om inte ytfunktionaliserat kol används som det aktiva materialet eller kapacitiv komposit används utanför elektrolytens elektrolytiska elektrolyts elektrolyts elektrolyts elektrolyts potentiella elektrolyts elektrolyts potentiella elektrolyts elektrolyts potentiella elektrolyts elektrolyts potentiella fönster, förväntas inga faradaiska reaktioner ske på denna typ av elektroder20. Bristen på faradaiska reaktioner är den främsta bidragsgivaren till den fördelaktigt långa livslängden för detta ställdonsmaterial (dvs. tusentals cykler i luft8,18 visas för olika kapacitiva ställdon).
Figur 1: Struktur för det kolbaserade ställdonet i neutralt (A) och i aktiverat tillstånd (B). (B) belyser också de viktigaste egenskaperna som avgör utförandet av ett joniskt ställdon. Obs: Figuren dras inte till skala. Jonstorlek har överdrivits för att illustrera den vanligaste citerade aktiveringsmekanismen som råder vid ett inert membran som möjliggör rörlighet för både anjoner och katjoner av elektrolyten (t.ex. jonvätska). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Att få ett funktionellt membran som förblir intakt under hela tillverkningsprocessen är ett av de viktigaste stegen i den framgångsrika ställdonsberedningen. Ett högpresterande membran för ett ställdon är så tunt som möjligt och möjliggör jonisk ledningsförmåga mellan elektroderna samtidigt som den blockerar all elektronisk ledningsförmåga. Den joniska konduktiviteten i membranet kan bli resultatet av att kombinera elektrolyten med ett inert poröst nätverk (t.ex. den metod som används i detta protokoll) eller genom användning av specifika polymerer med kovalent bundna joniserade enheter eller andra grupper som möjliggör interaktioner med elektrolyten. Det tidigare tillvägagångssättet är att föredra här för sin enkelhet, medan särskilt skräddarsydda interaktioner mellan elektrolyten och polymernätverket också kan ha fördelar, om ogynnsamma interaktioner (t.ex. blockering eller långsammare jonrörelse avsevärt på grund av interaktioner) kan uteslutas. Det stora urvalet av jonomeriska eller på annat sätt aktiva membran för elektromekaniskt aktiva ställdon och deras resulterande aktiveringsmekanismer har nyligen granskats21. Membranet urval, förutom elektrodval, spelar en avgörande roll i ställdonets prestanda, livslängd och aktiveringsmekanism. Det nuvarande protokollet fokuserar huvudsakligen på inert membran som ger den porösa strukturen för jonmigrering (som visas på figur 1), även om delar av protokollet (t.ex. membranalternativ C) också kan vara till nytta för aktiva membran.
Förutom valet av membranmaterial spelar dess tillverkningsmetod också en viktig roll för att få en funktionell separator för kompositen. Tidigare använda gjutna membran tenderar att smälta under det senare hot-pressning steg och kan därför bilda kortslutning hotspots22. Dessutom tenderar kommersiella jonomeriska membran (t.ex. nafion) att svälla och spänne avsevärt som svar på lösningsmedel som används i de senare tillverkningsstegen12, och vissa polymerer (t.ex. cellulosa23) är kända för att lösa upp i viss utsträckning i vissa joniska vätskor, vilket kan orsaka problem med repeterbarheten av tillverkningsprocessen och resulterar i dålig enhetlighet av elektroderna. Därför fokuserar detta protokoll på ställdon med en integrerad passiv och kemiskt inert komponent i membranet (t.ex. glasfiber eller silke med PVDF eller PTFE) som hindrar kompositen från svullnad och buckling i senare tillverkningssteg eller från att bilda kortslutnings hotspots. Dessutom förenklar tillägg av en inert och passiv komponent tillverkningsprocessen avsevärt och möjliggör större satsstorlekar jämfört med mer traditionella metoder.
Införandet av en passiv förstärkning i membranet infördes först av Kaasik et al. 18 för att ta itu med de ovan nämnda problemen i ställdonets tillverkningsprocess. Införandet av en vävd textilförstärkning (se även figur 3B och 3D)inför ytterligare förmågan att integrera verktyg i den aktivakompositen 24 eller att utveckla smarta textilier18. Därför är membranalternativet C i protokollet mer lämpligt för sådana applikationer. När det gäller miniatyriserade ställdon (på sub millimeternivå) blir dock det passiva och aktiva komponentförhållandet i membranet mer och mer ogynnsamt och införandet av en ordnad textilförstärkning kan börja påverka ställdonets prestanda negativt och prov-till-prov-repeterbarheten. Dessutom kan förstärkningens riktning (längs eller diagonalt i förhållande till böjriktningen) påverka prestandan hos mer komplext formade ställdon oväntat. Därför skulle en mindre ordnad och mycket porös inert struktur vara mer fördelaktigt för miniatyriserade ställdon och mer komplexa ställdon former.
Polytetrafluoreten (PTFE, vet också under handel namnger Teflon) är en av de mest inert polymersna vet till daterat. Det är vanligtvis mycket hydrofoba, men ytbehandlade versioner som återges hydrofila finns, som är lättare att användbara i ställdon tillverkning. Figur 3A illustrerar slumpmässiga strukturen hos en inert hydrophilic PTFE filtrering membran som användes i detta protokoll för ställdon beredning. Förutom enhetligheten hos detta material i alla riktningar som är fördelaktigt för att skära ut miniatyriserade ställdon eller komplexa former, med hjälp av ett kommersiellt filtreringsmembran med kontrollerad porositet ytterligare förenklar manövreringsprocessen genom att nästan eliminera behovet av någon membranberedning. Dessutom är membrantjocklekar så låga som 30 μm extremt svåra att få tag på i den tidigare beskrivna textilförstärkta konfigurationen. Därför bör PTFE-baserade ställdonstillverkningsmetoder (alternativ A och B) från detta protokoll i de flesta fall föredras, och vidare överväga att alternativ A är snabbare, men ställdon som tillverkas med alternativ B uppvisar större stammar (i frekvensområdet som presenteras i figur 4B). Den mjuka griparen som introducerades i avsnittet om representativa resultat har också förberetts med ptfe-membranet som först var indränkt i elektrolyt.
Efter att ett funktionellt membran har förberetts fortsätter protokollet med elektrodberedningen och ströminsamlartillsatsen. De kolbaserade elektroderna tillsätts med spraybeläggning – ett industriellt etablerat förfarande som möjliggör hög kontroll över den resulterande elektrodskiktets tjocklek. Mer enhetliga elektroder produceras med spraybeläggning jämfört med till exempel gjutningsmetoden (eller möjligen även andra flytande metoder) där sedimentering av kolpartiklar under filmtorkningen25 är kända för att förekomma. Dessutom är ytterligare ett inslag i den presenterade tillverkningsmetoden beroende av den lösningsmedelsvalsstrategi som är viktigast när det gäller textilförstärkta membran. Närmare bestämt löser 4-metyl-2-pentanon (lösningsmedlet i elektrodfjädringen och limlösningen) inte de inerta membranförstärkningar eller PVDF som används i membranlösningen i det textilförstärkta membranet. Därför minskar risken för att skapa kortslutningspunkter i kompositen under sprutbeläggningen ytterligare.
Det kapacitiva laminatet är redan aktivt efter applicering av kolelektroder. Emellertid erhålls en beställa av storlek snabbare ställdon26 med applikationen av guld- strömsamlare. Ett annat viktigt steg i protokollet är fastsättningen av strömsamlare medan motsvarande elektrod är i sträckt tillstånd (dvs. kompositen är böjd). Därför, i det neutrala platta tillståndet av ställdonet, kommer guldbladet att spännas fast i submillimeternivå. Denna buffring-by-buckling27 strategi möjliggör högre deformationer utan att bryta än vad som annars skulle vara möjligt för böter (~ 100 nm) plåt.
Alla manöverdons tillverkningssteg (membranberedning, elektrodsprutning, aktuell uppsamlare) har också sammanfattats i figur 2. För prestanda karakterisering demonstration, har vi förberett en gripdon som är kompatibelt gripa, hålla och släppa ett slumpmässigt format objekt med en slumpmässig yta konsistens. Enklare geometrier, såsom rektangulära prover med 1:4 eller högre bildförhållande (t.ex. 4 mm till 20 mm eller till och med 1 mm till 20 mm28) utskurna ur det aktiva materialet och fastklämda i cantilever-läge är också mycket typiska för materialkarakterisering eller andra tillämpningar som använder böjningstypens beteende.
Artikeln avslutas med en kort introduktion till den typiska joniska elektromekaniskt aktiva kapacitiva material karakterisering och felsökning tekniker med hjälp av enklare rektangulära ställdon geometri. Vi visar hur man använder vanliga elektrokemiska karakteriseringstekniker som cyklisk voltametri (CV) och elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) för att karakterisera och felsöka ställdonsmaterialet mer i detalj. Visualiseringen av kompositen i sub millimeternivå görs med hjälp av skanlektronmikroskopi (SEM), för vilken vi använder kryo-spräckningstekniken för att förbereda proverna. Materialets polymera karaktär gör det svårt att få tydliga tvärsnitt med bara vanlig skärning. Att bryta frysta prover resulterar dock i väldefinierade tvärsnitt.
Figur 2: Översikt över tillverkningsprocessen. De viktigaste stegen markeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
VARNING: Många kemikalier och komponenter som används i detta protokoll är farliga, se relevanta säkerhetsdatablad (SDS) för ytterligare information innan du påbörjar experimentet. Använd en rökhuv och personlig skyddsutrustning (handskar, glasögon, labbrock) vid hantering av flyktiga lösningsmedel under experimentet (t.ex. under beredningen av lösningar, vilket gör det förstärkta membranet, spraybeläggning av elektroderna och fästa strömuppsamlarena). Förhindra direkt hudkontakt med den slutliga kompositen (om den inte är inkapslad28) genom att alltid bära handskar.
1. Att göra separatormembranet
- Ta en ram, till exempel en broderiram.
OBS: Vi har använt standardramstorlekar från 7,5 cm till 25 cm beroende på önskad satsstorlek. Viktigast av allt bör ramen vara gjord av material som tål lösningsmedel och andra material som används i receptet. Till exempel används en polypropylenbrodredram i detta protokoll. Om du är osäker rekommenderas dock att göra ett lösningsmedelstest på ramen. - Välj mellan alternativ A till C (beskrivs ovan och presenteras i figur 2) för att hitta den lämpligaste membrankonfigurationen för den planerade applikationen. Endast en av de tre membranen behövs för att förbereda funktionella ställdon material.
- Alternativ A: Använda mycket porösa kommersiella filtreringsmembran vid framställning av jonledande separatorer
- Ta ett filtreringsmembran med hög porositet (t.ex. ett 30 μm tjockt, 80% ptfe-membranfilter). Om standardfiltret är för stort för ramen, skär det sedan i form med sax. Skär membranet mellan överföringsark för att undvika kontaminering.
- Fäst och spänd det torra filtreringsmembranet på ramen.
OBS: Vissa filtreringsmembran kan vara ganska ömtåliga i torrt tillstånd. Fäst torra membran extremt noggrant för att undvika att riva. - Flytta till steg 2 för att fortsätta med den elektromekaniskt aktiva kompositberedningen.
- Alternativ B: Använda elektrolytimpregnerade kommersiella filtreringsmembran vid framställning av jonledande separatorer
- Ta ett filtreringsmembran med hög porositet (t.ex. ett 30 μm tjockt, 80% ptfe-membranfilter). Om standardfiltret är för stort för ramen, skär det sedan i form med sax. Skär membranet mellan överföringsark för att undvika kontaminering.
- Registrera torrmembranmassan med hjälp av en analytisk balans för att beräkna elektrolytupptag senare. Det här steget behövs endast för repeterbarhetsövervakning från batch till batch och kan annars hoppas över.
- Placera det torra membranet i en petriskål och använd en pipett för att tillsätta ett överskott av jonvätska (t.ex. 1-etyl-3-metylimidazolium trifluoromethansulfonat ([EMIM][OTf])).
VARNING: Använd handskar för att förhindra kontakt med huden. - Luta Petriskivan något för att se till att hela membranet är täckt med jonisk vätska eller använd en pipett för att överföra jonvätska till områden där membranet fortfarande är torrt.
- Låt membranet suga i jonisk vätska för att uppnå maximalt elektrolytupptag.
- När membranet är tillräckligt indränkt (i videon efter ca 1 minut), pipet bort de flesta av överskottet jonisk vätska.
- Använd pincett, placera försiktigt membranet mellan filterpapper för att ta bort resten av jonvätskan som inte har absorberats av membranet. Det slutliga membranet ska vara halvtransparent men inte vått.
- Registrera massan av det blötlagda och torkade membranet från steg 1.4.7 med hjälp av en analytisk balans. Det här steget behövs endast för repeterbarhetsövervakning från batch till batch och kan annars hoppas över.
OBS: Vid mycket porösa PTFE-membran och relativt lågviskositet joniska vätskor (t.ex. [EMIM][OTf]), uppnås maximalt joniskt vätskeupptag nästan omedelbart. Användning av olika joniska vätskor och olika (mindre porösa) kommersiella polymermembran kan resultera i längre blötläggningstider. Ett sådant behov kan bestämmas genom att stegen 1.4.1 till 1.4.8 upprepas. tills en konstant membranmassa erhålls. Men om elektrolyten är för trögflytande eller membranet inte tillräckligt poröst då ställdonets prestanda kanske inte heller är särskilt hög. - Fäst och spända blöta och torkade membran på ramen undvika rynkor och veck.
- Alternativ C:Att göra ett jonförstärkt textilförstärkt membran som kan vara användbart när man planerar att använda anpassade polymerer (dvs. polymerer som inte finns som kommersiella (filtrering) membran), anpassade membrantjocklekar, joniska vätskor med högre viskositet eller vid integrering av verktyg i ställdonet. Här visar vi det grundläggande förfarandet för textilförstärkt membrantillverkning som till exempel kan modifieras för att inkludera verktyg eller slangar (se Ref24för mer information).
- I en 100 ml Erlenmeyerkolv, blanda ihop 2 g polyvinylidenfluorid (PVDF), 2 g jonvätska (t.ex. [EMIM][OTf]), 4 ml propylenkarbonat (PC) och 18 ml N,N-dimetylacetamid (DMAc).
VARNING: DMAc och PC är giftiga och hälsorisker och kan irritera hud och ögon. Hantera försiktigt, använd en rökhuv och personlig skyddsutrustning. - Tillsätt en magnetisk omrörstång och stäng kolven med en propp.
- Täta kolven med en polyetenbaserad laboratoriesträckfilm för att förhindra avdunstning av lösningsmedel.
OBS: Använd en stretchfilm som tål omrörning vid 70 °C (t.ex. är smältpunkten för Parafilm bara 60 °C, och därför skulle Parafilm inte vara lämplig för denna applikation). - Rör om lösningen över natten vid 70 °C med hjälp av en magnetomrörare och en temperaturstyrd värmeplatta. Ställ in omrörningshastigheten på medium. För hög omrörningshastighet kan föra in för mycket luft i lösningen, medan för långsam omrörning kan resultera i betydligt längre tillagningstid.
OBS: Experimentet kan pausas här och fortsätta senare. Den beredda lösningen kan förvaras i ett förseglat kärl under en längre tid. Värm upp och blanda den lagrade lösningen innan den börjar användas igen (blandning vid 70 °C i 1 timme är normalt tillräcklig). - Klipp ut en tygbit (t.ex. silkes- eller glasfiberduk) med sax.
OBS: Textilier med inert fibersammansättning såsom silke eller glasfiber fungerar bäst eftersom lösningsmedel från membranlösningen inte löser upp dessa. Det är dock lämpligt att utföra ett lösningsmedelstest innan du använder något tyg. Lätta tyger är att föredra eftersom dessa tyger påverkar aktiveringen av den slutliga kompositen minst. I videon har vi använt vävt silketyg (11,5 g/m2). - Fäst och spänd tyget på en ram.
- Trimma eventuellt överflödigt tyg med sax och ta försiktigt bort eventuella lösa fibrer för hand.
- Under arbetet under rökhuven, täck tyget med ett tunt lager membranlösning med hjälp av en pensel.
- Låt lagret torka helt. En varmluftspistol med låg hastighet ensam först och senare tillsammans med en särskild inställning (se figur 5 för detaljer) kan användas för att påskynda processen för avdunstning av lösningsmedel.
OBS: Om du använder en för hög rotationshastighet med den dedikerade inställningen på ett relativt vått membran kan deformationer orsaka deformationer till membranlagren och kan leda till förlust av membranmaterial. - När lagret har torkat, inspektera kompositen mot bakgrundsbelysning för hål. Ett mikroskop kan också användas för detta ändamål.
- Om det finns hål i membranet, applicera ett annat lager av beläggning genom att upprepa steg 1.5.8. och 1.5.9.
- Växla mellan textilens sidor vid applicering av membranlösningen för att säkerställa att förstärkningen (dvs. det neutrala planet) förblir i mitten av membranet (se SEM-bilden i figur 3D som visar textilfibrer placerade i mitten av membranskiktet).
OBS: Lösningsmedlen i polymerlösningen löser långsamt upp de tidigare applicerade skikten. Lägg därför till efterföljande membranlager med extrem försiktighet för att förhindra skador på det redan applicerade membranet. Applicera så tunna lager som möjligt och gå aldrig över redan våta ytor två gånger. - Kontrollera dess slutliga tjocklek med hjälp av en mikrometerskruvmätare när ett defektfritt membran har erhållits. Normalt måste minst tre lager appliceras, vilket resulterar i ett ca 50 μm tjockt membran.
- Låt det färdiga membranet posttorka under rökhuven i minst 24 timmar.
OBS: Experimentet kan pausas här och fortsätta senare med sprutning av elektroderna. Det är dock lämpligt att skydda det förberedda membranet mot dammpartiklar under torkning.
- I en 100 ml Erlenmeyerkolv, blanda ihop 2 g polyvinylidenfluorid (PVDF), 2 g jonvätska (t.ex. [EMIM][OTf]), 4 ml propylenkarbonat (PC) och 18 ml N,N-dimetylacetamid (DMAc).
2. Att göra elektroderna
OBS: Elektrodsuspensionen består av elektrodlösning A (en polymerlösning) och elektrodfjädring B (som innehåller kolpulvret och elektrolyten) som bereds separat och sedan blandas för att erhålla den slutliga suspensionen. Det lösningsmedel som valts för elektrodfjädringen löser inte upp de inert membranförstärkningar eller PVDF som används i den textilförstärkta membrankonfigurationen. Därför hålls risken för att skada det redan erhållna membranet under tillsats av elektroder till ett minimum.
- Förbereda elektrodlösningen A
- I en 100 ml Erlenmeyerkolv, blanda ihop 2 g poly(vinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen) (PVDF-HFP) och 24 ml 4-metyl-2-pentanon (MP).
VARNING: MP är brandfarligt och akut giftigt. Använd en rökhuv och personlig skyddsutrustning. - Tillsätt en magnetisk omrörstång och stäng kolven med en propp.
- Täta kolven med polyetenbaserad laboratoriestretchfilm.
- Rör om lösningen med medelhög hastighet vid 70 °C med hjälp av en magnetisk omrörare och en temperaturkontrollerad värmeplatta tills polymeren har lösts upp helt, vanligtvis över natten.
Protokollet kan pausas här. Den beredda lösningen kan förvaras i ett slutet och förseglat kärl under en längre tid. Om lösningen har förvandlats till en gel, värm om (till 70 °C) och blanda den innan den i steg 2.3. Det är inte nödvändigt att tillsätta mer lösningsmedel. Vanligtvis ger kvantiteterna i detta recept för ca 150 cm2 aktivt material (slutlig komposittjocklek ca 150 μm). Detta motsvarar två 10 cm diameter broderi ram partier.
- I en 100 ml Erlenmeyerkolv, blanda ihop 2 g poly(vinylidenfluorid-co-hexafluoropropylen) (PVDF-HFP) och 24 ml 4-metyl-2-pentanon (MP).
- Förbereda elektrodfjädringen B
- I en annan kolkolv på 100 ml Erlenmeyer, blanda ihop 1,75 g kol (t.ex. hårdmetallsyra-härlett kol från TiC eller B4C prekursor), 2 g jonisk vätska (t.ex. [EMIM][OTf]) och 10 ml MP.
VARNING: Oönskade elektrostatiska laddningseffekter kan göra det mycket svårt att väga kolpulvret. Använd statiska avledande skor under vägningen för att minska ansamling av statisk elektricitet. Använd dessutom personlig skyddsutrustning för att förhindra inandning av fina kolpartiklar. - Blanda fjädringen i ett slutet kärl i rumstemperatur i minst 1 h med hjälp av en magnetisk omrörare. Alternativt kan ultraljudssonden redan användas i det här steget (se steg 2.3.4)
OBS: Experimentet kan pausas här, och suspensionen B kan lagras eller blandas i ett slutet och förseglat kärl under en längre tid innan det blandas med lösning A för att erhålla den slutliga elektrodfjädringen.
- I en annan kolkolv på 100 ml Erlenmeyer, blanda ihop 1,75 g kol (t.ex. hårdmetallsyra-härlett kol från TiC eller B4C prekursor), 2 g jonisk vätska (t.ex. [EMIM][OTf]) och 10 ml MP.
- Förbereda den slutliga elektrodfjädringen
- Se till att polymeren i lösning A är helt upplöst genom att luta kolven något för att upptäcka oupplösta polymerpellets (eller bitar) och att lösningen är i trögflytande men flytande form. Om inte, rör sedan vid 70 °C innan du fortsätter med nästa steg.
- Häll elektrodlösningen A (polymerlösningen) i kolven som innehåller elektrodfjädringen B (kol, jonvätska, lösningsmedel).
- Använd en extra 10 ml MP för att skölja eventuellt återstående material från väggarna i kolv A och häll det i den slutliga suspensionen i kolv B.
- Sänk ned ultraljudssonden i den slutliga fjädringen, ställ in cykeln på 0,5 (pulser) och homogenisera fjädringen under rökhuven i en timme. Undvik kontakt mellan sonden och glaskärlets väggar. Alternativt, om ingen ultraljudssond finns tillgänglig, kan blandning med en magnetisk omrörare i flera timmar till över natten i ett förseglat kärl användas.
OBS: Experimentet kan pausas här, och den slutliga elektrodfjädringen kan lagras eller blandas i ett slutet och förseglat kärl under en längre tid.
- Sprutning av elektroderna
OBS: En Iwata airbrush HP TR-2 används här för att förbereda elektroderna. Andra typer av sprutpistoler och industriella automatiska sprutsystem skulle dock alternativt kunna användas.- Täck rökhuvens väggar med kraftigt papper och tejp för enklare rengöring efteråt. Täck inte över luftintaget. Håll ånghuvens lock så lågt som möjligt under sprutning.
- Anslut airbrushen till tryckluftstillförseln och justera trycket (här används standardanslutningar och tryck på 2 stänger).
OBS: Trycket bör vara tillräckligt för att bära suspensionen, men inte för högt för att skada membranet. - Fyll retborstens behållare med aceton (eller något annat kompatibelt lösningsmedel) och testa sprutningen på ett papper eller en kartong först för att kontrollera att airbrushen är ren och fri från blockeringar.
- Kontrollera om elektrodfjäsen som är förberedd i steg 2.3 är i flytande form genom att luta kolven. I vissa fall kan det förvandlas till en gel om den förvaras under en längre tid. Värm upp den till 70 °C medan den blandas med en magnetisk omrörstång med hjälp av en temperaturstyrd värmeplatta för att förvandla den till en vätska igen. Det är inte nödvändigt att tillsätta mer lösningsmedel.
- Häll elektrodfjädringen från Erlenmeyerkolven i retborstens rena behållare.
- Testa upphängningsflödet på ett papper först. Gå sedan vidare till att täcka det förberedda membranet.
- Börja flytta airbrushen innan du börjar spraya. Spraya på ett avstånd av ca 20 cm och håll airbrush vinkelrätt mot membranet. Håll airbrushen i raka och kontrollerade slag för att täcka hela membranet.
- Observera hur många varv det tar att täcka ena sidan av membranet, eller alternativt övervaka suspensionsvolymen som tillsätts till behållaren för att säkerställa lika elektrodtjocklekar på båda sidor av membranet.
- Låt elektroden på ena sidan av membranet torka under rökhuven. En varmluftspistol kan användas för att påskynda torkningsprocessen om det behövs (se steg 1.5.9).
- Applicera den andra elektroden på andra sidan membranet genom att upprepa steg 2.4.7 till 2.4.9.
- Täck båda sidor av membranet flera gånger tills önskad sammansatt tjocklek uppnås (här var den slutliga totala tjockleken ca 150 μm). Övervaka tjockleken på den torra kompositen med hjälp av en mikrometerskruvmätare.
Experimentet kan pausas här. Den torra kompositen kan förvaras i en zip-lock väska under en längre tid innan guldströmuppsamlare i steg 3 fästs.
3. Fästa guldströmuppsamlare
- Förbereda limlösningen
OBS: Denna lösning kan beredas i förväg tillsammans med elektrodfjädringen (och membranlösningen). Se till att värma upp limmet innan du använder det för att göra det mindre trögflytande.- I en 100 ml Erlenmeyerkolv, blanda ihop 2 g PVDF-HFP, 2 g jonvätska (t.ex. [EMIM][OTf]), 4 ml PC och 40 ml MP.
- Tillsätt en magnetisk omrörare, stäng kolven och försegla den med polyetenbaserad laboratoriestretchfilm.
- Låt lösningen röra i 70 °C på en temperaturkontrollerad värmeplatta tills polymeren har lösts upp, vanligtvis över natten.
- Fästa strömuppsamlaren på kolkompositen (ena sidan)
- Ta försiktigt bort ställdonsmaterialet som beretts i steg 2 från ramen.
- Klipp ut en 4 cm x 3 cm bit med hjälp av en linjal och en skalpell. Om ett textilförstärkt membran användes, rikta sedan in snittet med fibrerna (synliga från kompositmaterialets kanter).
Obs: Den föreslagna snittstorleken är mest praktisk för små till medelstora partier. Det är dock inte avgörande för att få arbetsställdon. - Ta ett metallrör (här d = 3 cm) och fäst den skurna biten ordentligt på den med tejp. Försök att överlappa endast ca 1 mm av ställdonsmaterialet med tejp för att undvika att slösa det aktiva materialet.
OBS: Rörets eller dess beläggnings material ska tåla lösningsmedel som användes i limlösningen. Den exakta sammansättningen är inte avgörande för att erhålla arbetsställdon. Material som leder värmebrunn (t.ex. metaller) kan vara bra för att påskynda torkningsprocessen. Men keramiska eller polymerrör eller rör kan vara lämpliga också. - Använd sax, skär ut 4 cm x 4 cm guldbitar på överföringspapper och placera en av bitarna på ett mjukpapper.
OBS: Att placera guldbladen på överföringspapper på en mjukare yta är avgörande för att få strömuppsamlare av god kvalitet. - Förbered en "dockningsstation" för sprutpistolen, där den snabbt och säkert kan förvaras i upprätt läge. Limmet börjar torka så fort sprutning stoppas och därför är det viktigt att det inte finns några förseningar i tillämpningen av guldströmsamlare.
- Under arbetet under rökhuven ska du spraya limlösningen från steg 3.1.3 på ställdonsmaterialet som har fixerats på ett rör (steg 3.2.3).
- Rulla röret över guldbladet (steg 3.2.4) medan limmet fortfarande är vått. Inget överdrivet tryck behövs för rullning.
- Ta bort överföringspapperet och rulla över mjukpapperet igen för att se till att guldet har fästs ordentligt.
- Placera materialet under en infraröd (IR) ljus (avstånd 10 till 15 cm) eller i en vakuumugn (högsta möjliga vakuum vid rumstemperatur) för att torka i ca 20 till 30 minuter.
- Om strömuppsamlaren inte har fästs ordentligt eller om det finns några större defekter, upprepa steg 3.2.3 till 3.2.9 för att lägga till ett andra lager när det första lagret har torkat för att få en helt defekt strömsamlare.
- Fästa den aktuella insamlaren på andra sidan av kompositen.
- Ta försiktigt bort tejpen och lossa materialet från röret.
- Rengör röret med aceton och mjukpapper för att ta bort eventuella lim och guldrester.
- Fäst ställdonsmaterialet igen på röret med guldbelagd sida vänd mot röret.
- Upprepa steg 3.2.3 till 3.2.10 för att fästa den aktuella insamlaren även på andra sidan av materialet.
- Ta försiktigt bort den färdiga kompositen från röret och låt den vara förtorkande under rökhuven i minst 24 timmar.
OBS: Skydda materialet mot dammpartiklar. Efter torkning kan materialet förvaras i en zip lock väska. Att låta provet torka på röret vid förhöjda temperaturer i stället under en längre period (flera timmar till dagar) termoformar ställdonet och bör därför undvikas om inte termoformning är målet.
4. Kapning, formning, kontakt och karakterisering av ställdonen
- Kapning av ställdonet
- Använd en skarp skalpell (och en metalllinjal) för att skära ställdonet i önskad form. Skär alltid alla sidor av materialet för att undvika kortslutning som orsakas av överskott av guld på ställdonets sidor.
OBS: Det är inte tillrådligt att skära materialet med sax, eftersom detta kan deformera materialet och orsaka kortslutning på provets sidor.
- Använd en skarp skalpell (och en metalllinjal) för att skära ställdonet i önskad form. Skär alltid alla sidor av materialet för att undvika kortslutning som orsakas av överskott av guld på ställdonets sidor.
- Forma ställdonet (t.ex. till en gripdon)
OBS: Formen på detta polymera kompositmaterial kan enkelt ändras från ett platt laminat till något mer avancerat för mer intressanta applikationer. Beroende på önskad konfiguration kan det vara nödvändigt att ansluta kontakter först.- Ta det skurna ställdonet och placera det i en form (t.ex. i en liten glasflaska som visas i videon).
- Placera provet i en ugn i minst 1 timme och värm till 60 °C.
- Använda ställdonet
Obs: I videon visar vi anpassade magnetiska kontakter och modifierade Kelvin klipp för kontaktskapande. I båda fallen är 24k guldplåtar det enda materialet i direkt kontakt med ställdonet.- Kläm fast ställdonet mellan elektrokemiskt icke-reaktiva kontakter (t.ex. guld).
OBS: Kontakttrycket bör vara tillräckligt för att få tillförlitlig elektrisk kontakt, men inte för hög för att orsaka permanenta deformationer. - Applicera stegspänning (eller ström) eller använd mer komplicerade styrsignaler för att styra ställdonet. Normalt har stegspänningar på ±2 V eller mindre använts för att driva denna typ av ställdon. Se Ref24 för mer information om överväganden om ställdonskontroll.
- Spela samtidigt in aktiveringen med hjälp av en laserförskjutningsmätare eller en videokamera.
- Kläm fast ställdonet mellan elektrokemiskt icke-reaktiva kontakter (t.ex. guld).
- Kryosprickbildning för SEM-avbildning (PTFE-baserade ställdon)
OBS: Att bryta proverna efter att ha fryst dem i flytande kväve är det bästa sättet att erhålla rena tvärsnitt under SEM-avbildning.
VARNING: Stäng aldrig locket på en behållare med flytande kväve ordentligt. Trycket byggs upp och dess efterföljande utsläpp kan orsaka allvarliga skador. Dessutom kokar flytande kväve vid −196 °C, så försiktighet måste också iakttas för att förhindra skador på grund av de låga temperaturerna.- Häll flytande kväve i en termiskt isolerande behållare (t.ex. en engångsskumkopp)
- Placera först provet och senare metallverktygen i flytande kväve och låt provet frysa i ca 1 min.
OBS: Nedkylning av metallverktyg (t.ex. en skalpell eller pincett) är tillrådligt för att förhindra eventuell delaminering på grund av temperaturskillnader. Verktyg behöver dock kortare kylningstider än den polymera kompositen tack vare bättre värmeledningsförmåga hos metaller. Dessutom kan för djupt kylda metallverktyg vara omöjligt att hantera. - Ta tag i det frysta provet med två uppsättningar kylda pincett och bryt det.
- Kryosprickbildning för SEM-avbildning (textilförstärkta ställdon).
OBS: Textilförstärkta ställdon (särskilt om glasfiber används) kanske inte går jämnt i fruset tillstånd. Rena tvärsnitt kan erhållas genom att skära med ett kylt blad.- Frys ställdonet och en skalpell i flytande kväve (se anmärkningen i steg 4.4.2).
- Placera det frysta provet på en non-stick skäryta (t.ex. ett block ptfe) och hacka ställdonsmaterialet med hjälp av den kylda skalpellen.
Representative Results
Den primära effektpunkten för att skilja mellan ett framgångsrikt och ett misslyckat experiment är materialets svar på elektriska signaler efter att ha kontaktats till en strömförsörjning. Inom elektroteknik är koppar ett välkänt material för kontaktframställning. Koppar är dock också elektrokemiskt aktiv och därför inte lämplig för kontakt med ett joniskt system som introduceras här. Användning av kopparkontakter kan orsaka kortslutning på grund av dendritbildning genom kompositen. Vid väsentlig karakterisering är det dessutom omöjligt att skilja mellan strömmar (och aktivering) som härrör från det elektroaktiva materialet och de strömmar som härrör från koppars elektrokemiska aktivitet29. Vi har tidigare visat att aktivering – även om den inte är tillförlitlig – utan tillsatt aktivt material (dvs. utan kolbaserade eller ledande polymerelektroder) är möjlig vid våta jonomermembran (t.ex. nafion) och bara kopparterminaler29. Därför har alla experiment med det aktiva materialet här utförts med endast inert guldkontakter.
Elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) är en icke-förstörande metod för karakterisering och felsökning av det kapacitiva ställdonsmaterialet före användning. Impedansspektra i figur 4C och 4D fångades med hjälp av en potentiostat/galvanostat/FRA i två-elektrod konfiguration. Provet (20 mm x 4 × 150 μm) placerades mellan guldkontakter, ingångssignalens amplitud under impedansmätningen sattes till 5 mVRMS och frekvenser från 200 kHz till 0,01 Hz skannades. Figur 4C och 4D visar den typiska impedansspektra från ställdon med hög (~300 Ω cm2) eller med lågt (~5 Ω cm2) inre motstånd. Spektra registrerades med hjälp av ett prov med det torra PTFE-membranet och ett annat prov med det indränkta membranet. Högre jonisk ledningsförmåga genom materialet tenderar att motsvara snabbare ställdon och eventuellt också mer förskjutning vid samma aktiveringsfrekvens (se figur 4B), om alla andra parametrar (t.ex. mekaniska parametrar) hålls oförändrade och materialet i allmänhet är aktivt.
Eis icke-förstörande karaktär är särskilt gynnsam för detektion av kortslutning i kompositen. När det gäller manöverdon som bereds enligt det aktuella protokollet orsakas kortslutning oftast av strömuppsamlare på ställdonets sidor (se skärinstruktioner i steg 4.1.1) eller mer sällan av ett felaktigt membran (t.ex. när de inte täcker alla hål i det textilförstärkta membranet enligt beskrivningen i avsnitt 1.5). Ett motstånd (i detta fall en kortslutning) skulle presenteras som en prick på Nyquist tomten i en EIS experiment. Observera ett sådant svar är en viss indikator på ett felaktigt prov (se figurerna 4C och 4D för referensspektra av funktionella kapacitiva ställdon). Kortslutningsprover skulle normalt inte aktiveras. Dessutom skulle dessa oftast göras permanent värdelösa på grund av resistiv uppvärmning och den resulterande smältningen av kompositen när de försökte aktivera.
I sin funktionella form är detta material en dubbelskiktskondensator som visar böjningsrörelse som svar på laddning och urladdning av det dubbla lagret tack vare särskilt skräddarsydda elektrolyter som används vid tillverkningen. Cyklisk voltametri (CV) är en allmänt använd teknik inom elektrokemi för att studera olika system. Under ett CV-experiment varierar potentialen hos arbetselektroden (i detta fall en av ställdonets elektroder) i förhållande till en motelektrod (här registreras den andra elektroden av ställdonet) med konstant hastighet (t.ex. 800 mV/s mellan ±2 V) och det aktuella svaret från systemet registreras med hjälp av en potentiostat. Ett typiskt strömsvar från det kapacitiva laminatet presenteras i figur 4E. Det aktuella svaret av provet med det indränkta PTFE-membranet (i mörkgrå i 4E) liknar en idealisk kondensator: strömmen beror inte på elektrodpotentialen och vid återföring av potentialen ändras den aktuella riktningen (och därmed dess tecken) (nästan) omedelbart, vilket resulterar i ett (nästan) rektangulärt voltammogram. Det aktuella svaret av provet med ett initialt torrt membran (i rosa i 4E) visar mindre idealiskt kondensatorbeteende vid denna genomsökningshastighet, troligen på grund av det höga interna motståndet hos materialet (vilket också framgår av EIS i figur 4C). Ändå visar båda proverna den kapacitiva karaktären hos kompositen. Å andra sidan, ljusgrå linjer i figur 4E visar möjligt beteende från felaktiga prover (t.ex. kortslutna) som noga skulle följa Ohms lag.
Prestandan hos olika funktionella ställdon presenteras i figur 4A och figur 4B. Bild 4A visar ögonblicksbilder från videon där ett termoformat ställdon med 5 fingrar greppar, håller och släpper ett slumpmässigt format objekt som svar på spänningssteg. Enklare geometrier används vanligtvis för materialkarakteriseringsändamål. Figur 4B framhäver till exempel de torra och indränkta PTFE-membranställdonens maximala böjningsvinkel28,30 som svar på triangulära spänningssignaler mellan ±2 V. För att karakterisera olika ställdonsmaterial placerades prover (4 mm x 20 mm x 150 μm) mellan guldklämmor i cantilever-läge (vilket lämnade 18 mm fri längd för aktivering) och böjningsvinkeln spelades in med hjälp av en videokamera. Alternativt har förflyttningen av en enda punkt längs ställdonet (t.ex. 5 mm från kontakterna) vanligtvis övervakats i tid och använts i stamskillnadsberäkningarna31,32. Videobearbetning, även om det är mer komplicerat, ger mer information om hela böjningsprofilen för provet och gör det också möjligt att analysera prestanda senare, om ett sådant behov skulle uppstå. 0,1 Hz-punkten i figur 4B motsvarar exakt samma signal som används i de cykliska voltametriexperimenten i figur 4E, både när det gäller aktiveringsspänning samt aktiveringsfrekvens. Med samma signal för karakterisering och aktivering kan vi till exempel dra slutsatser om materialets kapacitiva natur och om stabiliteten och bristen på elektrokemiska reaktioner under aktivering.
Elektrokemiska metoder (EIS, CV), visualisering av ställdonsstrukturen i (typiskt) mikrometernivå (SEM) och förskjutningskarakterisering är de vanligaste metoderna för att karakterisera joniska ställdon och utvärdera tillverkningsprocessens framgång. Anpassade experiment för att utvärdera ställdonets prestanda i ett mer specifikt program utvecklas dock ofta för att utvärdera applikationsspecifika prestanda (t.ex. förmågan att bära en last).
Bild 3: Bildbehandling. Scanning elektronmikrografer som visar den mycket porösa PTFE membran (A) och ett tvärsnitt av ett ställdon gjort med samma membran som inte visar någon delaminering (C). SEM-mikrograf som visar ett tvärsnitt av ett textilförstärkt ställdon (D) och ett optiskt fotografi av motsvarande silkesförstärkning (B). Prover för SEM tvärsnitt var först cryo-brutna med flytande kväve, monteras på en metall provhållare och sedan sputtered med 5 nm guld för bättre definition med hjälp av en sputter coater. En bordsskiva scanning elektronmikroskop användes för bildbehandling på 15 keV acceleration spänning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Representativa resultat av ställdonet. (A)Spänningssteg och motsvarande bilder av femarmgrepparen som kompatibelt tar tag i ett föremål med slumpmässig form (ställdon utan kontakt 21 mg; polystyrenskumbelastning 17,8 mg). B)Total böjvinkel på 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE-baserade ställdon som är fastklämda mellan guldkontakter (18 mm fria) som svar på en trekantig aktiveringssignal (±2 V) vid olika aktiveringsfrekvenser (n=3, felstänger representerar en standardavvikelse för medelvärdet). (C och D) typisk elektrokemisk impedansspektra av elektromekaniskt aktiva kapacitiva laminat (5 mVRMS signal amplitud); (E) Typisk cyklisk voltametri av kapacitiva laminat (triangulär aktiveringssignal med 800 mV/s skanningshastighet som motsvarar 0,1 Hz-punkterna i B). Grå linjer på cykliska voltammogram är för jämförelse och visa svar från en potentiell felaktig ställdon (i huvudsak ett motstånd) som noga skulle följa Ohms lag. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Spin-torkning under membranberedning. (A) scheman för installationen(B)bild av installationen med en ram med förstärkning bifogas. Under spinntorkning leder centrifugalkraften det kvarvarande lösningsmedlet i membranskiktet mot ramens kant. Detta kan vara fördelaktigt för att påskynda torkningsprocessen. Men vid helt våta membran kan detta resultera i förlust av aktivt material (polymer och jonisk vätska) och bör därför undvikas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
Vi presenterade en enkel, snabb, repeterbar och mångsidig tillverkningsmetod för jonisk elektromekaniskt aktiv sammansatt beredning för olika ställdonsapplikationer, och med mindre modifieringar även för energilagring, skörd33 eller avkänning34 applikationer. Den nuvarande metoden fokuserar på membran med en integrerad passiv och kemiskt inert komponent (t.ex. ett textilförstärkt polymernätverk eller ett mycket poröst Teflonmembran, se även figur 3) eftersom sådana membran avsevärt förenklar ställdonsberedningsprocessen även i stor skala. Dessutom har de resulterande membranen en lägre risk för svullnad och buckling på grund av lösningsmedel (eller elektrolyt) i elektrodfjädringen eller kortslutningspunktsbildning jämfört med många andra vanliga manövreringsmetoder och material.
De kritiska stegen i det kapacitiva ställdonlaminatberedningen är membranberedning, elektrodtillverkning, ströminsamlartillsats, skärning och kontakt (figur 2). Vart och ett av dessa steg lämnar utrymme för anpassning och prestandaoptimering, men också för misstag. I följande avsnitt kommer vi att diskutera de positiva ändringar och felsökningsstrategier för denna tillverkningsmetod mer i detalj. Ett högpresterande sammansatt resultat från samspelet mellan flera viktiga aspekter som måste hållas i åtanke: tillräcklig elektronisk konduktivitet längs elektroden (tillsätt guldströmsamlare till kolelektroder); tillräcklig jonisk ledningsförmåga genom membranet (använd ett tunt poröst membran och tillräcklig mängd elektrolyt med låg viskositet, minska risken för ogynnsamma interaktioner mellan membranet och elektrolyten med hjälp av ett inert polymernätverk); Elektrodens höga yta (välj en lämplig koltyp). skräddarsydda elektrolyter som resulterar i asymmetrisk svullnad/sammandragning av elektroderna (välj en lämplig elektrolyt); mekaniska parametrar (Youngs moduli av komponenterna). Dessa huvudaspekter av ett högpresterande kolbaserat ställdon lyfts också fram i figur 1B.
Ett högpresterande membran är den centrala delen av denna komposit. Den har två uppgifter: förhindra elektronledningsförmåga (kortslutningar) mellan elektroderna samtidigt som hög jonisk ledningsförmåga. Ändringar av membranet kan tjäna flera syften, till exempel verktygsintegration som införts av Must et al.24 eller tillägg av nya egenskaper (t.ex. biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet eller olika mekaniska egenskaper). Den nuvarande tillverkningsmetoden skulle kunna modifieras för att använda andra polymerer och elektrolyter i membranet för att introducera nya egenskaper till det aktiva laminatet. Liksom den lösningsmedelsvalsstrategi som här infördes för de textilförstärkta ställdonen är det lämpligt att välja sämre lösningsmedel för den efterföljande elektrodtillverkningen jämfört med membranberedningen. Detta säkerställer att membranet förblir funktionellt och intakt även efter tillsats av elektroder.
Aktiveringsprestandan hos den slutliga kompositen påverkas av det valda elektrodmaterialet (kol), elektrolyten och eventuellt deras kompatibilitet med varandra. Detta protokoll införs tillverkning av kolbaserade kapacitiva laminat med borkarbidkarbid som härrör från kol och 1-etyl-3-metylimidazoliumtrifluoromethanesulfonat ([EMIM][OTf]) jonisk vätska. Samma protokoll kan dock anpassas till andra högspecifika kolmaterial på ytan, såsom karbidbaserade kol från andra35källor (t.ex.2368,3738 3940 Dessutom kan även andra elektrolyter användas i ställdonsberedningen. Att erhålla en funktionell komposit är inte begränsad till kol och joniska flytande typer som presenteras i detta protokoll. Kolpartikelstorleken, deras möjliga gytter i elektrodfjädringen och suspensionsviskositeten är mer avgörande parametrar för spraybeläggningsprocessen.
Denna metod möjliggör produktion av elektromekaniskt aktivt laminatmaterial med reproducerbara egenskaper i stora mängder. Miniatyrisering av ställdon av detta material utförs huvudsakligen med hög precisionsskärning (t.ex. figur 3C). Alternativa metoder för att förbereda fina strukturer, såsom maskering och mönster är möjliga under spray-beläggning41. Dessutom kan millimeterskala strukturer också mönstras i den efterföljande guldström samlare fastsättning steg. Men i sub-millimeter skala detta kan bli ganska svårt. Andra typer av ställdon eller kolbaserade ställdon utan guldströmuppsamlare kan vara lättare att förbereda om de mönstrade egenskaperna måste vara i mikrometerskalan.
Inneboende mjuka ställdon som svarar på elektriska stimuli har många fördelar tack vare sin mjuka och kompatibla natur, tyst drift och låga erforderliga spänningsnivåer. Det aktuella protokollet visar hur sådant material ska produceras i större mängder och med hög batch-till-batch och inom-batch repeterbarhet utan att kompromissa med aktiveringsprestanda. Ändringar av den nuvarande metoden för att införliva mer biovänliga och eventuellt också biologiskt nedbrytbara komponenter som skulle möjliggöra drift nära eller inuti levande organismer utöver framgångsrika totala inkapsling metoder, och integrationen av det införda aktiva materialet i mjuka robot- eller biomedicinska produkter är tänkt för framtiden.
Disclosures
Författarna har inget att avslöja.
Acknowledgments
Författarna vill tacka Ron Hovenkamp och Marcel Mulder från Philips Research för hjälpsamma diskussioner. Detta arbete stöddes delvis av den institutionella forskningsfinansieringen IUT (IUT 20-24) vid det estniska utbildnings- och forskningsministeriet. av estlands forskningsråd (PUT1696), av Europeiska regionala utvecklingsfonden, genom programmet Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), av Europeiska unionens forsknings- och innovationsprogram Horisont 2020 inom ramen för bidragsavtalet om Marie Skłodowska-Curie-bidrag nr 793377 (BIOACT) och genom projektet IMPACT-MII , ett innovationsprojekt för EIT Health. EIT Health stöds av EIT, ett EU-organ.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ~150 µm thick gold plates for custom contacts | local jeweler | 99.9% purity (24K) | |
| 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf]) | Solvionic | 99.5% | |
| 100 ml Erlenmeyer flask | |||
| 4-methyl-2-pentanone (MP) | Sigma Aldrich | ≥99% | |
| acetone | technical grade | ||
| analytical balance | Mettler Toledo AB204-S/PH | ||
| carbon powder | Y Carbon | boron carbide derived carbon, particle size <10 µm, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g | |
| carbon powder | Skeleton Technologies | titanium carbide derived carbon | |
| circular disk magnets (neodymium) for custom contacts | local hardware store | d = 2 mm, thickness 1 mm | |
| compressed air supply for the airbrush | |||
| crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips) | local hardware store | Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring. | |
| disposable foam cup | |||
| epoxy glue | local hardware store | preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets | |
| filter paper for drying | Munktell, Filtrak | e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used. | |
| flat nose tweezers | |||
| glass funnel | |||
| gold leaf on transfer sheets | Giusto Manetti Battiloro | 24K | |
| graduated glass cylinder | |||
| hairdryer or a heat gun | e.g. Philips | ||
| infrared ligth bulb | e.g. Philips | ||
| liquid nitrogen | CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries. | ||
| magnetic stirrer / hotplate | |||
| magnetic stirrer bars | about 1 cm long | ||
| metal pipe | e.g. d = 3 cm | ||
| metal ruler | |||
| micrometer thickness gauge | Mitotuyo | range 0-25 mm, precision 0.001 mm | |
| N,N-dimethylacetamide (DMAc) | Sigma Aldrich | 99.5% | |
| paintbursh | |||
| plastic embroidery hoops | e.g. Pony | select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm) | |
| plastic Pasteur pipettes | |||
| polyethylene-based laboratory stretch film | DuraSeal | ||
| polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP) | Sigma Aldrich | Mn = 130000, Mw = 400000 | |
| polyvinylidene fluoride (PVDF) | Sigma Aldrich | Mw (g/mol) = 534000 | |
| potentiostat/galvanostat/FRA | PARSTAT 2273 | needed for electrochemical characterization | |
| propylene carbonate (PC) | Merck | 99% | |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JVWP14225 | 0.1 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 30 µm thickness, 80% porosity |
| PTFE filtration membrane | Omnipore | JGWP14225 | 0.2 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 65 µm thickness, 80% porosity |
| scalpel | |||
| scotch tape | |||
| silk (woven textile) | Esaki Model Manufacturing | #3 | 11.5 g/m2 |
| soldering equipment | local hardware store | For connecting the ~150 µm gold plates to the clips | |
| spray gun, airbrush | Iwata HP TR-2 | ||
| sputter coater | Leica EM ACE600 | ||
| tabletop scanning electron microscope | Hitachi TM3000 | ||
| ultrasonic processor | Hielscher UP200S |
References
- 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.
- 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).
