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Engineering

कार्बन आधारित आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय सॉफ्ट एक्टुएटर का निर्माण

Published: April 25, 2020 doi: 10.3791/61216
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 1
1Intelligent Materials and Systems Lab, Institute of Technology, University of Tartu, 2Smart Interfaces & Modules Department, Philips Research

Summary

यह लेख बायोमेडिकल, बायोमिमेटिक और सॉफ्ट रोबोटिक्स अनुप्रयोगों में एक्टुएटर के लिए आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र सामग्री की एक तेज और सरल विनिर्माण प्रक्रिया का वर्णन करता है। प्रमुख निर्माण कदम, एक्टूएटर के अंतिम गुणों के लिए उनके महत्व, और कुछ मुख्य लक्षण वर्णन तकनीकों का विस्तार से वर्णन किया गया है।

Abstract

आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव लेमिनेट एक प्रकार की स्मार्ट सामग्री है जो विद्युत उत्तेजना के जवाब में आगे बढ़ती है। इस विरूपण की नरम, आज्ञाकारी और बायोमिमेटिक प्रकृति के कारण, टुकड़े टुकड़े से बने एक्टुएटर को नरम रोबोटिक्स और (जैव) चिकित्सा अनुप्रयोगों में बढ़ती रुचि मिली है। हालांकि, बड़ी (यहां तक कि औद्योगिक) मात्रा में सक्रिय सामग्री को आसानी से गढ़ने के तरीकों और एक उच्च बैच-टू-बैच और भीतर बैच दोहराने के लिए प्रयोगशाला से उद्योग में ज्ञान को स्थानांतरित करने की आवश्यकता होती है। यह प्रोटोकॉल आयनिक कार्बन आधारित इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव लेमिनेट के निर्माण और उसके बने एक्टूएटर की तैयारी के लिए एक सरल, औद्योगिक रूप से स्केलेबल और प्रजनन योग्य विधि का वर्णन करता है। एक निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय (अघुलनशील) मध्य परत (जैसे, एक कपड़ा प्रबलित बहुलक नेटवर्क या माइक्रोपोरस टेफ्लॉन) का समावेश दूसरों से विधि को अलग करता है। प्रोटोकॉल को पांच चरणों में विभाजित किया गया है: झिल्ली तैयारी, इलेक्ट्रोड तैयारी, वर्तमान कलेक्टर लगाव, काटने और आकार देने, और एक्टयूशन। प्रोटोकॉल के बाद एक सक्रिय सामग्री होती है जो उदाहरण के लिए, लेख में प्रदर्शित बेतरतीब आकार की वस्तु को समझ और पकड़ सकती है।

Introduction

आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक या पॉलीमेरिक कंपोजिट आंतरिक रूप से नरम और आज्ञाकारी सामग्री हैं जिन्हें विभिन्न नरम रोबोटिक्स और बायोमिमेटिक अनुप्रयोगों (जैसे, एक्टूएटर, ग्रिपर्स, या बायोप्रेरित रोबोट1,,2)में बढ़ती रुचि प्राप्त हुई है। इस प्रकार की सामग्री कुछ वोल्ट की सीमा में विद्युत संकेतों का जवाब देती है, जो उन्हें पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक्स और बिजली स्रोतों3के साथ एकीकृत करना आसान बनाती है। कई अलग-अलग प्रकार की आयनिक एक्टूएटर आधार सामग्री उपलब्ध हैं, जैसा किकहींऔर विस्तार से वर्णित है, और फिर हाल ही में5। इसके अलावा, हाल ही में इस बात पर विशेष रूप से जोर दिया गया है कि सॉफ्ट रोबोटिक उपकरणों का विकास प्रासंगिक सक्रिय सामग्रियों और घटकों6के लिए उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं के विकास से बहुत निकटता से संबंधित होगा। इसके अलावा, प्रयोगशाला से उद्योग की ओर बढ़ने की क्षमता रखने वाले प्रजनन योग्य एक्टुएटर की तैयारी में एक कुशल और सुस्थापित प्रक्रिया प्रवाह के महत्व को भी पिछले तरीकों-आधारितअध्ययनों7 में रेखांकित किया गया है।

पिछले दशकों में, कई निर्माण विधियों को एक्टुएटर (जैसे, परत-दर-परत कास्टिंग8 और गर्म दबाने9,,10,गर्भवती-कमी11,पेंटिंग12,,13,या स्पंदन और बाद में इलेक्ट्रो केमिकल संश्लेषण14,,15,इंकजेट प्रिंटिंग16 और स्पिन-कोटिंग17)की तैयारी के लिए विकसित या अनुकूलित किया गया है; कुछ विधियां अधिक सार्वभौमिक हैं, और कुछ दूसरों की तुलना में सामग्री चयन के मामले में अधिक सीमित हैं। हालांकि, वर्तमान तरीकों के कई बल्कि जटिल और/या प्रयोगशाला पैमाने पर निर्माण के लिए अधिक उपयुक्त हैं । वर्तमान प्रोटोकॉल कम बैच-टू-बैच और भीतर बैच परिवर्तनशीलता और एक लंबे एक्ट्युलेटर लाइफटाइम18के साथ सक्रिय टुकड़े टुकड़े का उत्पादन करने के लिए एक तेज, दोहराने योग्य, विश्वसनीय, स्वचालित और स्केलेबल एक्टूएटर निर्माण विधि पर केंद्रित है। इस विधि का उपयोग सामग्री वैज्ञानिकों द्वारा जैव प्रेरित अनुप्रयोगों की अगली पीढ़ी के लिए उच्च प्रदर्शन वाले एक्टुएटर विकसित करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, संशोधनों के बिना इस विधि का पालन नरम रोबोटिक्स इंजीनियरों और शिक्षकों के विकास और नए उपकरणों के प्रोटोटाइप के लिए एक सक्रिय सामग्री देता है, या नरम रोबोटिक्स अवधारणाओं शिक्षण के लिए ।

आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक या पॉलीमेरिक एक्टुएटर आमतौर पर दो या तीन परत लैमिनार कंपोजिट से बने होते हैं और कुछ वोल्ट(चित्रा 1)की सीमा में विद्युत उत्तेजना के जवाब में झुकते हैं। यह झुकने की गति इलेक्ट्रोड परतों में सूजन और संकुचन प्रभाव के कारण होती है, और यह आम तौर पर इलेक्ट्रोड (उदाहरण के लिए, प्रवाहकीय बहुलक की तरह इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय बहुलक (ईएपी) के मामले में या कार्बन-आधारित पॉलीमेरिक इलेक्ट्रोड में डबल-लेयर (उदाहरण के लिए, कार्बन-आधारित पॉलीमेरिक इलेक्ट्रोड के कैपेसिटिव चार्जिंग द्वारा, जहां बहुलक केवल एक बांधने के रूप में कार्य कर सकता है) पर फरुखिक (redox) प्रतिक्रियाओं द्वारा लाया जाता है। इस प्रोटोकॉल में(चित्रा 2),हम बाद पर ध्यान केंद्रित; हम एक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र के निर्माण को दिखाते हैं जिसमें दो उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र इलेक्ट्रॉनिक रूप से प्रवाहकीय कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड होते हैं जो एक निष्क्रिय आयन-प्रवाहकीय झिल्ली से अलग होते हैं जो इलेक्ट्रोड के बीच केकरण और आयनों के आंदोलन की सुविधा प्रदान करता है - एक विन्यास सुपरकैपेसिटर के समान। इस प्रकार के एक्टूलेटर कैपेसिटिव चार्जिंग/डिस्चार्जिंग के जवाब में झुकता है और इलेक्ट्रोड की सूजन/संकुचन आमतौर पर इलेक्ट्रोलाइट8,10,,19के के सेशन और आयनों की मात्रा और गतिशीलता में अंतर के लिए जिम्मेदार होता है । जब तक सतह-कार्यात्मक कार्बन का उपयोग सक्रिय सामग्री के रूप में नहीं किया जाता है या इलेक्ट्रोलाइट की इलेक्ट्रोकेमिकल स्थिरता संभावित खिड़की के बाहर कैपेसिटिव कंपोजिट का उपयोग किया जाता है, तब तक इस प्रकार के इलेक्ट्रोड20पर कोई फरुखिक प्रतिक्रियाएं नहीं होने की उम्मीद है। फरुखी प्रतिक्रियाओं की कमी इस एक्टुएटर सामग्री के लाभकारी लंबे जीवनकाल में मुख्य योगदानकर्ता है (यानी, हवा में हजारों चक्र8,,18 विभिन्न कैपेसिटिव एक्टुएटर के लिए दिखाए गए)।

Figure 1
चित्रा 1: तटस्थ (ए) में कार्बन आधारित एक्टुएटर की संरचना और एक्टुएटेड राज्य (बी) में। (ख)उन प्रमुख विशेषताओं पर भी प्रकाश डालता है जो आयनिक एक्टर के प्रदर्शन को निर्धारित करते हैं । नोट: आंकड़ा पैमाने पर तैयार नहीं है । आयन आकार को एक निष्क्रिय झिल्ली के मामले में प्रचलित सबसे अधिक उद्धृत एक्ट्युक्शन तंत्र को चित्रित करने के लिए बढ़ा-चढ़ाकर पेश किया गया है जो इलेक्ट्रोलाइट (जैसे, आयनिक तरल) के आयनों और कोटेशन दोनों की गतिशीलता को सक्षम बनाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

एक कार्यात्मक झिल्ली प्राप्त करना जो पूरे निर्माण प्रक्रिया में बरकरार रहता है, सफल एक्टुएटर तैयारी में महत्वपूर्ण चरणों में से एक है। एक एक्टूलेटर के लिए एक उच्च प्रदर्शन झिल्ली जितना संभव हो उतना पतला है और किसी भी इलेक्ट्रॉनिक चालकता को अवरुद्ध करते समय इलेक्ट्रोड के बीच आयनिक चालकता को सक्षम बनाता है। झिल्ली में आयनिक चालकता इलेक्ट्रोलाइट को एक निष्क्रिय असुरक्षित नेटवर्क (उदाहरण के लिए, इस प्रोटोकॉल में उपयोग किया जाने वाला दृष्टिकोण) या विशिष्ट बहुलकों के उपयोग से सहसंयोजक बंधुआ आयनीकृत इकाइयों या अन्य समूहों के साथ हो सकती है जो इलेक्ट्रोलाइट के साथ बातचीत को सक्षम करती है। पूर्व दृष्टिकोण को अपनी सादगी के लिए यहां पसंद किया जाता है, जबकि इलेक्ट्रोलाइट और बहुलक नेटवर्क के बीच विशेष रूप से अनुरूप बातचीत के फायदे भी हो सकते हैं, यदि प्रतिकूल बातचीत (उदाहरण के लिए, आयन आंदोलन को अवरुद्ध या धीमा करना काफी बातचीत के कारण) को खारिज किया जा सकता है। इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय एक्टुएटर के लिए आयनोमेरिक या अन्यथा सक्रिय झिल्ली के विशाल चयन और उनके परिणामस्वरूप एक्चुएशन तंत्र की हाल ही में21की समीक्षा की गई है । इलेक्ट्रोड चयन के अलावा झिल्ली चयन, एक्ट्युलेटर के प्रदर्शन, जीवनकाल और एक्टुएशन तंत्र में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। वर्तमान प्रोटोकॉल मुख्य रूप से निष्क्रिय झिल्ली पर ध्यान केंद्रित कर रहा है जो आयन माइग्रेशन के लिए असुरक्षित संरचना प्रदान करता है (जैसा कि चित्रा 1पर दिखाया गया है), हालांकि प्रोटोकॉल के कुछ हिस्से (उदाहरण के लिए, झिल्ली विकल्प सी) सक्रिय झिल्ली के लिए भी फायदेमंद साबित हो सकते हैं।

झिल्ली सामग्री चयन के अलावा, इसकी निर्माण विधि भी समग्र के लिए एक कार्यात्मक विभाजक प्राप्त करने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। पहले इस्तेमाल की गई कास्ट झिल्ली बाद में गर्म दबाव वाले चरण के दौरान पिघल जाती है और इसलिए22शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बन सकती है। इसके अलावा, वाणिज्यिक आयनोमेरिक झिल्ली (उदाहरण के लिए, Nafion) बाद के विनिर्माणचरणों 12में उपयोग किए जाने वाले सॉल्वैंट्स के जवाब में काफी प्रफुल्लित और बकसुआ करते हैं, और कुछ पॉलिमर (जैसे, सेल्यूलोज23)कुछ आयनिक तरल पदार्थों में कुछ हद तक भंग करने के लिए जाने जाते हैं, संभवतः निर्माण प्रक्रिया की पुनरावृत्ति के साथ समस्या पैदा करते हैं और जिसके परिणामस्वरूप इलेक्ट्रोड की खराब एकरूपता होती है। इसलिए, यह प्रोटोकॉल झिल्ली (उदाहरण के लिए, ग्लास फाइबर या पीवीडीएफ या पीटीएफई के साथ रेशम) में एक अभिन्न निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय घटक के साथ एक्टुएटर पर केंद्रित है जो बाद के निर्माण चरणों में सूजन और बकसुआ से या शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बनाने से समग्र को रोकता है। इसके अलावा, एक निष्क्रिय और निष्क्रिय घटक के अलावा विनिर्माण प्रक्रिया को काफी सरल बनाता है और अधिक पारंपरिक तरीकों की तुलना में बड़े बैच आकार को सक्षम बनाता है।

झिल्ली में निष्क्रिय सुदृढीकरण को शामिल करना सबसे पहले कासिक एट अल द्वारा पेश किया गया था। 18 एक्टूलेटर विनिर्माण प्रक्रिया में उपर्युक्त समस्याओं से निपटने के लिए । बुने हुए वस्त्र सुदृढीकरण को शामिल करना (चित्रा 3 बी और 3डीभी देखें) उपकरणों को सक्रिय समग्र24 में एकीकृत करने या स्मार्ट वस्त्र18विकसित करने की क्षमता का परिचय देता है। इसलिए, प्रोटोकॉल में झिल्ली विकल्प सी ऐसे अनुप्रयोगों के लिए अधिक उपयुक्त है। हालांकि, लघुकृत एक्टुएटर (उप-मिलीमीटर स्तर में) के मामले में, झिल्ली में निष्क्रिय-से-सक्रिय घटक अनुपात अधिक से अधिक प्रतिकूल हो जाता है और ऑर्डर किए गए कपड़ा सुदृढीकरण को शामिल करने से एक्टूएटर के प्रदर्शन और नमूना-से-नमूना दोहराव को नकारात्मक रूप से प्रभावित करना शुरू हो सकता है। इसके अलावा, सुदृढीकरण की दिशा (झुकने की दिशा के संबंध में तिरछे या तिरछे) अप्रत्याशित रूप से अधिक जटिल आकार के एक्टुएटर के प्रदर्शन को प्रभावित कर सकती है। इसलिए, एक कम व्यवस्थित और अत्यधिक असुरक्षित निष्क्रिय संरचना लघुकृत एक्टुएटर और अधिक जटिल एक्टुएटर आकार के लिए अधिक फायदेमंद होगी।

पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (पीटीएफई, व्यापार नाम टेफ्लॉन के तहत भी जानते हैं) सबसे निष्क्रिय बहुलकों में से एक है जो आज तक जानते हैं। यह आम तौर पर अत्यधिक हाइड्रोफोबिक होता है, लेकिन सतह से इलाज किए गए संस्करण जो हाइड्रोफिलिक मौजूद हैं, जो एक्टूएटर निर्माण में अधिक आसानी से उपयोग करने योग्य हैं। चित्रा 3A एक निष्क्रिय हाइड्रोफिलिक पीटीएफई निस्पंदन झिल्ली की यादृच्छिक संरचना को दिखाता है जिसका उपयोग एक्टूएटर तैयारी के लिए इस प्रोटोकॉल में किया गया था। सभी दिशाओं में इस सामग्री की एकरूपता के अलावा जो लघुकृत एक्टुएटर या जटिल आकार को काटने के लिए फायदेमंद है, नियंत्रित पोरोसिटी के साथ एक वाणिज्यिक निस्पंदन झिल्ली का उपयोग करके किसी भी झिल्ली तैयारी की आवश्यकता को लगभग खत्म करके एक्टूएटर निर्माण प्रक्रिया को और सरल बनाता है। इसके अलावा, झिल्ली मोटाई के रूप में कम के रूप में 30 μm बेहद पहले वर्णित कपड़ा प्रबलित विन्यास में प्राप्त करने के लिए मुश्किल हैं । इसलिए, इस प्रोटोकॉल से पीटीएफई-आधारित एक्टूएटर फैब्रिकेशन विधियों (विकल्प ए और बी) को ज्यादातर मामलों में पसंद किया जाना चाहिए, आगे विचार करते हुए कि विकल्प ए तेज है, लेकिन विकल्प बी शो बड़ा उपभेदों (चित्र4Bमें प्रस्तुत आवृत्ति रेंज में) का उपयोग करके किए गए एक्टुएटर। प्रतिनिधि परिणाम अनुभाग में पेश किए गए नरम तवे को पहले इलेक्ट्रोलाइट में भिगोने वाली पीटीएफई झिल्ली का उपयोग करके भी तैयार किया गया था।

एक कार्यात्मक झिल्ली तैयार किए जाने के बाद, प्रोटोकाल इलेक्ट्रोड तैयार करने और वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट के साथ जारी रहता है। स्प्रे-कोटिंग का उपयोग करके कार्बन-आधारित इलेक्ट्रोड जोड़े जाते हैं - एक औद्योगिक रूप से स्थापित प्रक्रिया जो परिणामी इलेक्ट्रोड परत मोटाई पर उच्च नियंत्रण को सक्षम बनाती है। उदाहरण के लिए, कास्टिंग विधि (या संभवतः अन्य तरल विधियां) की तुलना में स्प्रे कोटिंग के साथ अधिक समान इलेक्ट्रोड का उत्पादन किया जाता है, जहां फिल्म के दौरान कार्बन कणों की तलछट25 सूखने के लिए जानी जाती है। इसके अलावा, प्रस्तुत निर्माण विधि की एक और विशेषता सॉल्वेंट चयन रणनीति में निर्भर करती है जो कपड़ा-प्रबलित झिल्ली के मामले में सबसे महत्वपूर्ण है। अधिक सटीक रूप से, 4-मिथाइल-2-पेंटाटोन (इलेक्ट्रोड निलंबन और गोंद समाधान में सॉल्वेंट) निष्क्रिय झिल्ली सुदृढीकरण या पीवीडीएफ को भंग नहीं करता है जिसका उपयोग कपड़ा-प्रबलित झिल्ली के झिल्ली समाधान में किया जाता है। इसलिए स्प्रे कोटिंग के दौरान कंपोजिट में शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट बनाने का खतरा और कम हो जाता है।

कार्बन इलेक्ट्रोड के आवेदन के बाद कैपेसिटिव लेमिनेट पहले से ही सक्रिय है। हालांकि, परिमाण तेजी से एक्टूएटर26 का एक आदेश सोने के वर्तमान कलेक्टरों के आवेदन के साथ प्राप्त कर रहे हैं । प्रोटोकॉल में एक और महत्वपूर्ण कदम वर्तमान कलेक्टरों की लगाव है, जबकि इसी इलेक्ट्रोड फैला हुआ राज्य में है (यानी, समग्र तुला है)। इसलिए, एक्टूलेटर की तटस्थ सपाट स्थिति में, सोने के पत्ते को सबमिलीमीटर स्तर में पकड़े बैठाया जाएगा। यह बफरिंग-बाय-बकलिंग27 दृष्टिकोण बिना किसी जुर्माने (~ 100 एनएम) धातु शीट के लिए संभव होगा, की तुलना में तोड़ने के बिना उच्च विकृतियों को सक्षम बनाता है।

सभी एक्ट्यूएटर विनिर्माण चरण (झिल्ली तैयारी, इलेक्ट्रोड छिड़काव, वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट) को भी चित्रा 2में संक्षेप में शामिल किया गया है। प्रदर्शन लक्षण वर्णन प्रदर्शन के लिए, हमने एक तवे तैयार किया है जो यादृच्छिक सतह बनावट के साथ बेतरतीब ढंग से आकार की वस्तु को पकड़ रहा है, पकड़ रहा है और जारी कर रहा है। सरल ज्यामिति, जैसे आयताकार नमूने जैसे 1:4 या उच्च पहलू अनुपात (उदाहरण के लिए, 4 मिमी से 20 मिमी या यहां तक कि 1 मिमी से 20 मिमी28)सक्रिय सामग्री से काटलें और कैंटिलीवर स्थिति में क्लैंप भी सामग्री लक्षण वर्णन या झुकने-प्रकार के व्यवहार का उपयोग करने वाले अन्य अनुप्रयोगों के लिए बहुत विशिष्ट हैं।

लेख सरल आयताकार एक्टुएटर ज्यामिति का उपयोग करके विशिष्ट आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव सामग्री लक्षण वर्णन और समस्या निवारण तकनीकों में एक संक्षिप्त परिचय के साथ समाप्त होता है। हम दिखाते हैं कि सीक्लिलिक वोल्टेमेट्री (सीवी) और इलेक्ट्रोकेमिकल इम्प्रेसेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) जैसी सामान्य इलेक्ट्रोकेमिकल लक्षण वर्णन तकनीकों का उपयोग कैसे करें ताकि ऐक्ट्युटर सामग्री को अधिक विस्तार से चित्रित और परेशान किया जा सके। उप-मिलीमीटर स्तर में समग्र का दृश्य स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम) का उपयोग किया जाता है, जिसके लिए हम नमूने तैयार करने के लिए क्रायो-फ्रैक्चरिंग तकनीक का उपयोग करते हैं। सामग्री की बहुरूपी प्रकृति सिर्फ नियमित रूप से काटने के साथ स्पष्ट क्रॉस-सेक्शन प्राप्त करना मुश्किल बनाती है। हालांकि, जमे हुए नमूनों को तोड़ने के परिणामस्वरूप अच्छी तरह से परिभाषित क्रॉस-सेक्शन होते हैं।

Figure 2
चित्रा 2: निर्माण प्रक्रिया का अवलोकन। सबसे महत्वपूर्ण कदमों पर प्रकाश डाला जाता है । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Protocol

सावधानी: इस प्रोटोकॉल में उपयोग किए जाने वाले कई रसायन और घटक खतरनाक हैं, कृपया प्रयोग शुरू करने से पहले अधिक जानकारी के लिए प्रासंगिक सुरक्षा डेटाशीट (एसडीएस) से परामर्श करें। प्रयोग के दौरान अस्थिर सॉल्वैंट्स को संभालते समय एक धुएं के हुड और व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण (दस्ताने, चश्मा, प्रयोगशाला कोट) का उपयोग करें (उदाहरण के लिए, समाधान तैयार करने के दौरान, प्रबलित झिल्ली बनाना, इलेक्ट्रोड स्प्रे-कोटिंग और वर्तमान कलेक्टरों को संलग्न करना)। अंतिम समग्र के साथ सीधे त्वचा के संपर्क को रोकें (जब तक कि इसे28तक न समझाया जाता है) हमेशा दस्ताने पहनकर।

1. विभाजक झिल्ली बनाना

  1. एक फ्रेम लें, जैसे कढ़ाई फ्रेम।
    नोट: हमने वांछित बैच आकार के आधार पर 7.5 सेमी से 25 सेमी तक मानक फ्रेम आकार का उपयोग किया है। सबसे महत्वपूर्ण बात, फ्रेम सामग्री है कि विलायक और नुस्खा में इस्तेमाल अन्य सामग्री का सामना कर सकते हैं से बना होना चाहिए। उदाहरण के लिए, इस प्रोटोकॉल में पॉलीप्रोपाइलीन कढ़ाई फ्रेम का उपयोग किया जाता है। हालांकि, यदि अनिश्चित है, तो फ्रेम पर सॉल्वेंट टेस्ट करने की सिफारिश की जाती है।
  2. योजनाबद्ध आवेदन के लिए सबसे उपयुक्त झिल्ली विन्यास खोजने के लिए विकल्प ए से सी (ऊपर चर्चा और चित्रा 2में प्रस्तुत) के बीच चुनें। कार्यात्मक एक्टूएटर सामग्री तैयार करने के लिए तीन झिल्ली में से केवल एक की आवश्यकता होती है।
  3. विकल्प ए: आयन-चालक विभाजक की तैयारी में अत्यधिक असुरक्षित वाणिज्यिक निस्पंदन झिल्ली का उपयोग करना
    1. एक उच्च पोरोसिटी निस्पंदन झिल्ली (जैसे कि 30 माइक्रोन मोटी, 80% पोरोसिटी पीटीएफई झिल्ली फिल्टर) लें। यदि मानक फ़िल्टर फ्रेम के लिए बहुत बड़ा है, तो कैंची का उपयोग करके इसे आकार में काट लें। संदूषण से बचने के लिए स्थानांतरण शीट के बीच झिल्ली को काट लें।
    2. फ्रेम पर सूखी छानने की झिल्ली को जकड़ें और तना हुआ।
      नोट: कुछ छानने की झिल्ली सूखी स्थिति में बल्कि नाजुक हो सकती है। सूखने से बचने के लिए सूखी झिल्ली को बेहद सावधानी से जकड़ें।
    3. इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र तैयारी को जारी रखने के लिए चरण 2 पर जाएं।
  4. विकल्प बी: आयन-चालक सेपरेटर की तैयारी में इलेक्ट्रोलाइट-गर्भवती वाणिज्यिक निस्पंदन झिल्ली का उपयोग करना
    1. एक उच्च पोरोसिटी निस्पंदन झिल्ली (जैसे कि 30 माइक्रोन मोटी, 80% पोरोसिटी पीटीएफई झिल्ली फिल्टर) लें। यदि मानक फ़िल्टर फ्रेम के लिए बहुत बड़ा है, तो कैंची का उपयोग करके इसे आकार में काट लें। संदूषण से बचने के लिए स्थानांतरण शीट के बीच झिल्ली को काट लें।
    2. बाद में इलेक्ट्रोलाइट तेज की गणना करने के लिए विश्लेषणात्मक संतुलन का उपयोग करके सूखी झिल्ली द्रव्यमान रिकॉर्ड करें। इस कदम की आवश्यकता केवल बैच-टू-बैच दोहराने की निगरानी के लिए है और अन्यथा इसे छोड़ दिया जा सकता है।
    3. सूखी झिल्ली को पेट्री डिश में रखें और आयनिक तरल (जैसे, 1-एथिल-3-मिथिलिमिडाजोलियम ट्राइफ्लोरोमोथानसल्फोनेट ([ईएमआईएम][ओटीएफ])) की अधिकता जोड़ने के लिए पिपेट का उपयोग करें।
      सावधानी: त्वचा के संपर्क को रोकने के लिए दस्ताने का उपयोग करें।
    4. पेट्री डिस्क को थोड़ा झुकाएं ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि पूरी झिल्ली आयनिक तरल से ढकी हुई है या आयनिक तरल को उन क्षेत्रों में स्थानांतरित करने के लिए एक पिपेट का उपयोग करें जहां झिल्ली अभी भी सूखी है।
    5. अधिकतम इलेक्ट्रोलाइट तेज प्राप्त करने के लिए झिल्ली को आयनिक तरल में भिगोने दें।
    6. एक बार झिल्ली पर्याप्त रूप से भिगोया जाता है (वीडियो में लगभग 1 मिनट के बाद), अधिकांश अतिरिक्त आयनिक तरल को बंद कर दिया जाता है।
    7. चिमटी का उपयोग करके, झिल्ली को ध्यान से फिल्टर पेपर के बीच रखें ताकि बाकी आयनिक तरल को हटाया जा सके जिसे झिल्ली द्वारा अवशोषित नहीं किया गया है। अंतिम झिल्ली अर्ध-पारदर्शी होनी चाहिए लेकिन गीली नहीं होनी चाहिए।
    8. विश्लेषणात्मक संतुलन का उपयोग करके चरण 1.4.7 से भिगोए गए और सूखे झिल्ली के द्रव्यमान को रिकॉर्ड करें। इस कदम की जरूरत बैच-टू-बैच दोहराव निगरानी के लिए ही है और अन्यथा छोड़ दिया जा सकता है।
      नोट: अत्यधिक असुरक्षित पीटीएफई झिल्ली और अपेक्षाकृत कम चिपचिपाहट आयनिक तरल पदार्थ (जैसे, [ईएमआईएम] [ओटीएफ]) के मामले में, अधिकतम आयनिक तरल तेज लगभग तुरंत प्राप्त होता है। विभिन्न आयनिक तरल पदार्थ और विभिन्न (कम असुरक्षित) वाणिज्यिक बहुलक झिल्ली का उपयोग करने से लंबे समय तक भिगोने का समय हो सकता है। इस तरह की जरूरत 1.4.1 से 1.4.8 के कदम दोहराकर निर्धारित किया जा सकता है। जब तक एक निरंतर झिल्ली द्रव्यमान प्राप्त नहीं हो जाता है। हालांकि, यदि इलेक्ट्रोलाइट बहुत चिपचिपा है या झिल्ली पर्याप्त असुरक्षित नहीं है तो एक्टूएटर का प्रदर्शन बहुत अधिक नहीं हो सकता है।
    9. झुर्रियों और सिलवटों से बचने के फ्रेम पर भिगोए गए और सूखे झिल्ली को जकड़ना और तना हुआ करें।
  5. विकल्प सी:एक आयन-चालक वस्त्र-प्रबलित झिल्ली बनाना जो कस्टम पॉलिमर (यानी, वाणिज्यिक (निस्पंदन) झिल्ली के रूप में उपलब्ध नहीं बहुलक), कस्टम झिल्ली मोटाई, उच्च चिपचिपाहट के साथ आयनिक तरल पदार्थ या एक्पुएटर में उपकरणों को एकीकृत करते समय उपयोगी हो सकता है। यहां हम कपड़ा-प्रबलित झिल्ली निर्माण के लिए बुनियादी प्रक्रिया दिखाते हैं, उदाहरण के लिए, उपकरण या ट्यूबिंग को शामिल करने के लिए संशोधित किया जा सकता है (रेफरी देखें24अधिक जानकारी के लिए) ।
    1. 100 मिलीग्राम एरलेनमेयर फ्लास्क में, पॉलीविनाइलीन फ्लोराइड (पीवीडीएफ), 2 ग्राम आयनिक तरल (जैसे, [ईएमआईएम] [ओटीएफ]), प्रोपलीन कार्बोनेट (पीसी) के 4 एमएल और एन के 18 एमएल, एन-डाइमेथिलेस्तामाइड (डीएमएसी) को मिलाएं।
      सावधानी: DMAc और पीसी विषाक्त और स्वास्थ्य के लिए खतरा है और त्वचा और आंखों को परेशान कर सकते हैं । देखभाल के साथ संभाल, एक धूम हुड और व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें।
    2. एक चुंबकीय उभारक बार जोड़ें और एक डाट के साथ फ्लास्क बंद करें।
    3. सॉल्वैंट्स के वाष्पीकरण को रोकने के लिए पॉलीथीन आधारित प्रयोगशाला खंड फिल्म के साथ फ्लास्क सील करें।
      नोट: एक स्ट्रेच फिल्म का उपयोग करें जो 70 डिग्री सेल्सियस पर सरगर्मी का सामना कर सकती है (उदाहरण के लिए, पैराफिल्म का पिघलने का बिंदु सिर्फ 60 डिग्री सेल्सियस है, और इसलिए पैराफिल्म इस एप्लिकेशन के लिए उपयुक्त नहीं होगी)।
    4. एक चुंबकीय उभारा और एक तापमान नियंत्रित हॉटप्लेट का उपयोग कर के 70 डिग्री सेल्सियस पर रात भर समाधान हिलाओ। मध्यम करने के लिए सरगर्मी गति सेट। बहुत अधिक सरगर्मी गति समाधान में बहुत अधिक हवा शुरू कर सकते हैं, जबकि बहुत धीमी गति से सरगर्मी काफी लंबे समय तक तैयारी समय में परिणाम हो सकता है ।
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है और बाद में किया जा सकता है । तैयार समाधान को एक विस्तारित अवधि के लिए एक सीलबंद पोत में संग्रहीत किया जा सकता है। इसे फिर से उपयोग करने के लिए शुरू करने से पहले संग्रहीत समाधान को फिर से गर्म करें और मिलाएं (1 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पर मिश्रण आमतौर पर पर्याप्त होता है)।
    5. कैंची का उपयोग करके कपड़े का एक टुकड़ा (जैसे, रेशम या ग्लास फाइबर कपड़े) को काट लें।
      नोट: रेशम या ग्लास फाइबर जैसे निष्क्रिय फाइबर संरचना वाले वस्त्र सबसे अच्छा काम करते हैं क्योंकि झिल्ली समाधान से सॉल्वैंट्स इन्हें भंग नहीं करते हैं। हालांकि, किसी भी कपड़े का उपयोग करने से पहले सॉल्वेंट टेस्ट करने की सलाह दी जाती है। हल्के कपड़े पसंद किए जाते हैं क्योंकि ये कपड़े कम से कम अंतिम समग्र के एक्ट्युएशन को प्रभावित करते हैं। वीडियो में हमने बुने हुए सिल्क फैब्रिक (११.५ जी/एम2)का इस्तेमाल किया है ।
    6. एक फ्रेम पर कपड़े को जकड़ें और तना हुआ।
    7. कैंची का उपयोग कर किसी भी अतिरिक्त कपड़े ट्रिम और ध्यान से हाथ से किसी भी ढीले फाइबर को हटा दें।
    8. धूम हुड के नीचे काम करते समय, कपड़े को तूलिका का उपयोग करके झिल्ली समाधान की पतली परत से कवर करें।
    9. परत को पूरी तरह से सूखने दें। अकेले कम गति पर एक गर्म हवा बंदूक पहले और बाद में एक समर्पित सेटअप के साथ एक साथ (विवरण के लिए चित्रा 5 देखें) विलायक वाष्पीकरण प्रक्रिया को गति देने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
      नोट: अपेक्षाकृत गीली झिल्ली पर समर्पित सेटअप के साथ बहुत अधिक स्पिन दर का उपयोग करने से झिल्ली की परतों में विकृति हो सकती है और झिल्ली सामग्री का नुकसान हो सकता है।
    10. परत सूखने के बाद, पिनहोल के लिए बैकलाइट के खिलाफ समग्र निरीक्षण करें। इसके लिए माइक्रोस्कोप का भी इस्तेमाल किया जा सकता है।
    11. यदि झिल्ली में पिनहोल हैं, तो चरण1.5.8 दोहराकर कोटिंग की एक और परत लागू करें। और 1.5.9।
    12. यह सुनिश्चित करने के लिए झिल्ली समाधान लागू करते समय कपड़ा के किनारों के बीच वैकल्पिक करें कि सुदृढीकरण (यानी, तटस्थ विमान) झिल्ली के बीच में रहता है (चित्रा 3 डी में एसईएम छवि देखें जो झिल्ली परत के बीच में स्थित वस्त्र फाइबर दिखाता है)।
      नोट: बहुलक समाधान में सॉल्वैंट्स पहले से लागू परतों को धीरे-धीरे भंग करते हैं। इसलिए, पहले से लागू झिल्ली को नुकसान को रोकने के लिए अत्यधिक सावधानी के साथ बाद की झिल्ली परतों को जोड़ें। संभव के रूप में पतली परतों के रूप में लागू करें और पहले से ही गीला सतहों पर दो बार कभी नहीं जाना ।
    13. एक बार एक दोष मुक्त झिल्ली प्राप्त किया गया है, एक माइक्रोमीटर स्क्रू गेज का उपयोग कर अपनी अंतिम मोटाई की जांच करें । आमतौर पर, कम से कम तीन परतों को लागू करने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप लगभग 50 माइक्रोन मोटी झिल्ली होती है।
    14. तैयार झिल्ली को कम से कम 24 घंटे के लिए धूम हुड के नीचे सूखने के बाद दें।
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है और बाद में इलेक्ट्रोड छिड़काव के साथ किया । हालांकि, सुखाने के दौरान धूल कणों के खिलाफ तैयार झिल्ली को ढालने की सलाह दी जाती है।

2. इलेक्ट्रोड बनाना

नोट: इलेक्ट्रोड निलंबन में इलेक्ट्रोड समाधान ए (एक बहुलक समाधान) और इलेक्ट्रोड सस्पेंशन बी (कार्बन पाउडर और इलेक्ट्रोलाइट युक्त) होते हैं जो अलग से तैयार होते हैं और फिर अंतिम निलंबन प्राप्त करने के लिए एक साथ मिश्रित होते हैं। इलेक्ट्रोड निलंबन के लिए चयनित सॉल्वेंट निष्क्रिय झिल्ली सुदृढीकरण या पीवीडीएफ को भंग नहीं करता है जिसका उपयोग कपड़ा-प्रबलित झिल्ली विन्यास में किया जाता है। इसलिए, इलेक्ट्रोड के अलावा के दौरान पहले से प्राप्त झिल्ली को नुकसान पहुंचाने का खतरा न्यूनतम रखा जाता है।

  1. इलेक्ट्रोड समाधान ए तैयार करना
    1. 100 मिलीग्राम एरलेनमेयर फ्लास्क में, 2 ग्राम पॉली (विनीलिडीन फ्लोराइड-सह-हेक्साफ्लोरोप्रोपाइलीन) (पीवीडीएफ-एचएफपी) और 4-मिथाइल-2-पेंटानोन (एमपी) के 24 एमएल को एक साथ मिलाएं।
      सावधानी: सांसद ज्वलनशील और तीव्रता से विषाक्त है । एक धूम हुड और व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरण का उपयोग करें।
    2. एक चुंबकीय उभारक बार जोड़ें और एक डाट के साथ फ्लास्क बंद करें।
    3. पॉलीथीन आधारित प्रयोगशाला खिंचाव फिल्म के साथ फ्लास्क सील।
    4. एक चुंबकीय उभारक और एक तापमान नियंत्रित हॉटप्लेट का उपयोग कर के 70 डिग्री सेल्सियस पर मध्यम गति से समाधान हिलाओ जब तक बहुलक पूरी तरह से भंग हो गया है, आम तौर पर रात भर।
      नोट: प्रोटोकॉल यहां रोका जा सकता है । तैयार समाधान को एक विस्तारित अवधि के लिए एक बंद और सीलबंद पोत में संग्रहीत किया जा सकता है। यदि समाधान जेल में बदल गया है, तो चरण 2.3 में इसका उपयोग करने से पहले इसे फिर से गरम करें और इसे मिलाएं। इसमें ज्यादा सॉल्वर जोड़ना जरूरी नहीं है। आमतौर पर, इस नुस्खा में मात्रा सक्रिय सामग्री के बारे में 150 सेमी2 (अंतिम समग्र मोटाई के बारे में 150 μm) के लिए उपज। यह दो 10 सेमी व्यास कढ़ाई फ्रेम बैचों से मेल खाती है।
  2. इलेक्ट्रोड सस्पेंशन बी तैयार करना
    1. एक अन्य 100 मिलीग्राम में एर्लेनमेयर फ्लास्क में, 1.75 ग्राम कार्बन (उदाहरण के लिए, कार्बाइड-प्राप्त कार्बन को टीसी या बी4सी अग्रदूत से), 2 ग्राम आयनिक तरल (जैसे, [ईएमआईएम][ओटीएफ]) और एमपी के 10 एमएल में मिलाएं।
      सावधानी: अवांछनीय इलेक्ट्रोस्टैटिक चार्जिंग प्रभाव कार्बन पाउडर वजन बहुत मुश्किल बना सकता है। स्थिर बिजली के संचय को कम करने के लिए वजन के दौरान स्थिर अपव्यय जूते पहनें। इसके अलावा, ठीक कार्बन कणों के साँस लेने को रोकने के लिए व्यक्तिगत सुरक्षा उपकरणों का उपयोग करें।
    2. चुंबकीय उभारा का उपयोग करके कम से कम 1 घंटे के लिए कमरे के तापमान पर एक बंद पोत में निलंबन मिलाएं। वैकल्पिक रूप से, अल्ट्रासोनिक जांच पहले से ही इस चरण में इस्तेमाल किया जा सकता है (चरण 2.3.4 देखें)
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है, और निलंबन बी संग्रहीत या एक विस्तारित अवधि के लिए एक विस्तारित अवधि के लिए एक बंद और सील पोत में मिलाया जा सकता है यह समाधान एक के साथ मिश्रण करने के लिए अंतिम इलेक्ट्रोड निलंबन प्राप्त करने से पहले ।
  3. अंतिम इलेक्ट्रोड निलंबन की तैयारी
    1. सुनिश्चित करें कि समाधान ए में बहुलक किसी भी अभंग पॉलीमर छर्रों (या टुकड़े) का पता लगाने के लिए फ्लास्क को थोड़ा झुकाकर पूरी तरह से भंग कर दिया जाता है और समाधान चिपचिपा लेकिन तरल रूप में है। यदि नहीं, तो अगले चरण के साथ जारी रखने से पहले 70 डिग्री सेल्सियस पर हलचल।
    2. इलेक्ट्रोड सस्पेंशन बी (कार्बन, आयनिक तरल, सॉल्वेंट) वाले फ्लास्क में इलेक्ट्रोड सॉल्यूशन ए (बहुलक समाधान) डालें।
    3. फ्लास्क ए की दीवारों से किसी भी शेष सामग्री को कुल्ला करने और फ्लास्क बी में अंतिम निलंबन के लिए डालना करने के लिए सांसद के एक अतिरिक्त 10 mL का उपयोग करें।
    4. अंतिम निलंबन में अल्ट्रासोनिक जांच को जलमग्न करें, चक्र को ०.५ (दालें) के लिए सेट करें और एक घंटे के लिए धुएं के हुड के तहत निलंबन को समरूप करें । जांच और कांच के बर्तन की दीवारों के बीच संपर्क से बचें। वैकल्पिक रूप से, यदि कोई अल्ट्रासोनिक जांच उपलब्ध नहीं है, तो सीलबंद पोत में रात भर के लिए कई घंटों के लिए एक चुंबकीय उभारा के साथ मिश्रण का उपयोग किया जा सकता है।
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है, और अंतिम इलेक्ट्रोड निलंबन संग्रहीत या एक विस्तारित अवधि के लिए एक बंद और सील पोत में मिलाया जा सकता है ।
  4. इलेक्ट्रोड का छिड़काव
    नोट: इलेक्ट्रोड तैयार करने के लिए यहां एक इवाटा एयरब्रश एचपी टीआर-2 का उपयोग किया जाता है। हालांकि, अन्य प्रकार की स्प्रे बंदूकें और औद्योगिक स्वचालित स्प्रे सिस्टम का वैकल्पिक रूप से उपयोग किया जा सकता है।
    1. बाद में आसान सफाई के लिए भारी शुल्क कागज और टेप के साथ धुएं हुड की दीवारों को कवर करें। हवा का सेवन क्षेत्र को कवर न करें। छिड़काव के दौरान धुएं के हुड ढक्कन को यथासंभव कम रखें।
    2. एयरब्रश को संकुचित हवा की आपूर्ति से कनेक्ट करें और दबाव को समायोजित करें (यहां, मानक कनेक्शन और 2 बार के दबाव का उपयोग किया जाता है)।
      नोट: दबाव निलंबन ले जाने के लिए पर्याप्त होना चाहिए, लेकिन झिल्ली को नुकसान पहुंचाने के लिए बहुत अधिक नहीं है।
    3. एयरब्रश के जलाशय को एसीटोन (या किसी अन्य संगत सॉल्वेंट) के साथ भरें और यह जांचने के लिए पहले कागज या गत्ते के टुकड़े पर छिड़काव का परीक्षण करें कि एयरब्रश साफ और रुकावटों से मुक्त है।
    4. जांच करें कि स्टेप 2.3 में तैयार इलेक्ट्रोड सस्पेंशन फ्लास्क को झुकाकर लिक्विड फॉर्म में है या नहीं। कुछ मामलों में, यदि विस्तारित अवधि के लिए संग्रहीत किया जाता है तो यह जेल में बदल सकता है। इसे फिर से तरल में बदलने के लिए तापमान नियंत्रित हॉटप्लेट का उपयोग करते हुए चुंबकीय उभारबार के साथ मिलाते समय इसे 70 डिग्री सेल्सियस तक रीहीट करें। इसमें ज्यादा सॉल्वर जोड़ना जरूरी नहीं है।
    5. एयरब्रश के साफ जलाशय में Erlenmeyer फ्लास्क से इलेक्ट्रोड निलंबन डालो।
    6. पहले कागज के एक टुकड़े पर निलंबन प्रवाह का परीक्षण करें। फिर तैयार झिल्ली को कवर करने के लिए आगे बढ़ें।
    7. स्प्रे शुरू करने से पहले एयरब्रश को आगे बढ़ाना शुरू करें। लगभग 20 सेमी की दूरी पर स्प्रे करें और एयरब्रश को झिल्ली में लंबवत रखें। पूरी झिल्ली को कवर करने के लिए एयरब्रश को सीधे और नियंत्रित स्ट्रोक में आगे बढ़ते रहें।
    8. झिल्ली के एक तरफ कवर करने के लिए ले जाता है की संख्या पर ध्यान दें, या वैकल्पिक रूप से झिल्ली के दोनों किनारों पर समान इलेक्ट्रोड मोटाई सुनिश्चित करने के लिए जलाशय में जोड़े गए निलंबन की मात्रा की निगरानी करें।
    9. झिल्ली के एक तरफ इलेक्ट्रोड को धुएं के हुड के नीचे सूखने दें। जरूरत पड़ने पर सुखाने की प्रक्रिया में तेजी लाने के लिए एक गर्म एयर गन का उपयोग किया जा सकता है (चरण 1.5.9 देखें)।
    10. 2.4.7 से 2.4.9 चरणों को दोहराकर झिल्ली के दूसरी तरफ दूसरा इलेक्ट्रोड लगाएं।
    11. झिल्ली के दोनों किनारों को कई बार कवर करें जब तक वांछित समग्र मोटाई तक पहुंच न जाए (यहां अंतिम कुल मोटाई लगभग 150 माइक्रोन थी)। माइक्रोमीटर स्क्रू गेज का उपयोग करके शुष्क समग्र की मोटाई की निगरानी करें।
      नोट: प्रयोग यहां रोका जा सकता है । ड्राई कंपोजिट को स्टेप 3 में गोल्ड करंट कलेक्टर्स को अटैच करने से पहले एक्सटेंडेड पीरियड के लिए जिप-लॉक बैग में स्टोर किया जा सकता है ।

3. सोने के वर्तमान कलेक्टरों संलग्न

  1. गोंद समाधान तैयार करना
    नोट: इस समाधान को इलेक्ट्रोड निलंबन (और झिल्ली समाधान) के साथ समय से पहले तैयार किया जा सकता है। इसे कम चिपचिपा बनाने के लिए इसका उपयोग करने से पहले गोंद को फिर से गरम करना सुनिश्चित करें।
    1. 100 मिलीग्राम एर्लेनमेयर फ्लास्क में, पीवीडीएफ-एचएफपी के 2 ग्राम, 2 ग्राम आयनिक तरल (जैसे, [ईएमआईएम][ओटीएफ]), पीसी के 4 एमएल और एमपी के 40 एमएल को एक साथ मिलाएं।
    2. एक चुंबकीय उभारक जोड़ें, फ्लास्क बंद करें और इसे पॉलीथीन आधारित प्रयोगशाला खंड फिल्म के साथ सील करें।
    3. समाधान को तापमान नियंत्रित हॉटप्लेट पर 70 डिग्री सेल्सियस पर हिलाएं जब तक कि बहुलक भंग न हो जाए, आमतौर पर रात भर।
  2. कार्बन कंपोजिट के लिए वर्तमान कलेक्टर संलग्न (एक तरफ)
    1. धीरे-धीरे फ्रेम से स्टेप 2 में तैयार एक्ट्युलेटर सामग्री को हटा दें।
    2. एक शासक और एक स्केलपेल का उपयोग करके 4 सेमी x 3 सेमी टुकड़ा काट लें। यदि एक कपड़ा-प्रबलित झिल्ली का उपयोग किया गया था, तो कट को फाइबर (समग्र सामग्री के किनारों से दिखाई देने वाले) के साथ संरेखित करें।
      नोट: सुझाए गए कट आकार छोटे से मध्य आकार के बैचों के लिए सबसे सुविधाजनक है। हालांकि, यह काम करने वाले एक्टुएटर प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण नहीं है।
    3. एक धातु पाइप लें (यहां डी = 3 सेमी) और टेप का उपयोग करके उस पर कट टुकड़े को कसकर ठीक करें। सक्रिय सामग्री को बर्बाद करने से बचने के लिए टेप के साथ केवल लगभग 1 मिमी एक्टूलेटर सामग्री को ओवरलैप करने की कोशिश करें।
      नोट: पाइप या इसके कोटिंग की सामग्री को ग्लू समाधान में उपयोग किए जाने वाले सॉल्वैंट्स का सामना करना चाहिए। काम करने वाले एक्टुएटर प्राप्त करने के लिए सटीक संरचना महत्वपूर्ण नहीं है। सामग्री है कि गर्मी अच्छी तरह से आचरण (जैसे, धातुओं) सुखाने की प्रक्रिया को तेज करने में फायदेमंद हो सकता है । हालांकि, सिरेमिक या बहुलक ट्यूब या पाइप के रूप में अच्छी तरह से उपयुक्त हो सकता है ।
    4. कैंची का उपयोग करके, ट्रांसफर पेपर पर सोने के 4 सेमी x 4 सेमी टुकड़े काट लें और ऊतक पेपर पर टुकड़ों में से एक रखें।
      नोट: सोने की पत्तियों को नरम सतह पर ट्रांसफर पेपर पर रखना अच्छी गुणवत्ता वाले वर्तमान कलेक्टरों को प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है।
    5. स्प्रे बंदूक के लिए एक "डॉकिंग" स्टेशन तैयार करें, जहां इसे जल्दी और सुरक्षित रूप से ईमानदार स्थिति में संग्रहीत किया जा सकता है। जैसे ही छिड़काव बंद हो जाएगा गोंद सूखना शुरू हो जाएगा और इसलिए यह महत्वपूर्ण है कि सोने के वर्तमान कलेक्टरों को लागू करने में कोई देरी न हो।
    6. धूम हुड के तहत काम करते समय, एक पाइप (चरण 3.2.3) पर तय की गई एक्टूएटर सामग्री पर चरण 3.1.3 से गोंद समाधान का छिड़काव करें।
    7. सोने के पत्ते (चरण 3.2.4) पर पाइप रोल जबकि गोंद अभी भी गीला है। रोलिंग के लिए किसी अत्यधिक दबाव की जरूरत नहीं है ।
    8. ट्रांसफर पेपर निकालें और यह सुनिश्चित करने के लिए टिश्यू पेपर पर फिर से रोल करें कि सोना ठीक से जुड़ा हुआ है।
    9. सामग्री को अवरक्त (आईआर) प्रकाश (दूरी 10 से 15 सेमी) या वैक्यूम ओवन (कमरे के तापमान पर उच्चतम संभव वैक्यूम) में लगभग 20 से 30 मिनट तक सूखने के लिए रखें।
    10. यदि वर्तमान कलेक्टर ठीक से संलग्न नहीं किया है या वहां कुछ बड़े दोष हैं, दोहराने के कदम ३.२.३ से ३.२.९ एक दूसरी परत जोड़ने के लिए एक बार पहली परत एक पूरी तरह से दोष मुक्त वर्तमान कलेक्टर प्राप्त करने के लिए सूख गया है ।
  3. कंपोजिट के दूसरी तरफ वर्तमान कलेक्टर संलग्न ।
    1. धीरे-धीरे टेप निकालें और पाइप से सामग्री छोड़ें।
    2. किसी भी गोंद और सोने के अवशेषों को हटाने के लिए एसीटोन और टिश्यू पेपर के साथ पाइप को साफ करें।
    3. पाइप का सामना कर रहे सोने कोटेड साइड के साथ पाइप पर फिर से एक्ट्युएटर सामग्री को ठीक करें।
    4. सामग्री के दूसरी तरफ वर्तमान कलेक्टर को भी संलग्न करने के लिए 3.2.3 से 3.2.10 तक चरण दोहराएं।
    5. ध्यान से पाइप से तैयार समग्र को हटा दें और इसे कम से कम 24 घंटे के लिए धुएं के हुड के नीचे सूखने के बाद छोड़ दें।
      नोट: धूल कणों के खिलाफ सामग्री को ढाल दें। सूखने के बाद, सामग्री को जिप लॉक बैग में संग्रहित किया जा सकता है। नमूना छोड़ने के बजाय ऊंचा तापमान पर पाइप पर सूखी करने के लिए एक विस्तारित अवधि के लिए (दिनों के लिए कई घंटे) एक्टूलेटर थर्मोफॉर्म और इसलिए यह बचा जाना चाहिए जब तक थर्मोफॉर्मिंग उद्देश्य है ।

4. संकौती को काटना, आकार देना, संपर्क करना और विशेषता

  1. एक्ट्युलेटर काटना
    1. एक तेज स्केलपेल (और एक धातु शासक) का उपयोग वांछित आकार में एक्ट्यूएटर को काटने के लिए करें। ऐक्ट्युटर के किनारों पर अतिरिक्त सोने के कारण होने वाले किसी भी शॉर्ट-सर्किट से बचने के लिए सामग्री के सभी किनारों को हमेशा काट दें।
      नोट: कैंची का उपयोग कर सामग्री काटना उचित नहीं है, क्योंकि यह सामग्री को विकृत कर सकता है और नमूने के किनारों पर शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है।
  2. एक्ट्युलेटर को आकार देना (उदाहरण के लिए, एक तवे में)
    नोट: इस पॉलीमेरिक समग्र सामग्री के आकार को आसानी से एक फ्लैट टुकड़े टुकड़े से अधिक दिलचस्प अनुप्रयोगों के लिए अधिक उन्नत कुछ करने के लिए बदला जा सकता है। वांछित विन्यास के आधार पर, पहले संपर्क संलग्न करना आवश्यक हो सकता है।
    1. कट एक्ट्युलेटर लें और इसे मोल्ड (उदाहरण के लिए, वीडियो में दिखाए गए एक छोटे ग्लास शीशी में रखें)।
    2. नमूने को कम से कम 1 घंटे के लिए ओवन में रखें और 60 डिग्री सेल्सियस तक गर्मी करें।
  3. एक्ट्युलेटर का उपयोग करना
    नोट: वीडियो में, हम कस्टम चुंबकीय संपर्क दिखाते हैं और संपर्क बनाने के लिए केल्विन क्लिप को संशोधित करते हैं। दोनों ही मामलों में, 24k सोने की प्लेटें एक्टूलेटर के सीधे संपर्क में एकमात्र सामग्री हैं।
    1. इलेक्ट्रोकेमिकलरूप से अट्रैक्टिव कॉन्टैक्ट्स (जैसे, गोल्ड) के बीच एक्ट्युएटर को क्लैंप करें।
      नोट: संपर्क दबाव विश्वसनीय विद्युत संपर्क प्राप्त करने के लिए पर्याप्त होना चाहिए, लेकिन स्थायी विकृतियों का कारण बनने के लिए बहुत अधिक नहीं होना चाहिए।
    2. स्टेप वोल्टेज (या वर्तमान) लागू करें या एक्ट्यूएटर को नियंत्रित करने के लिए अधिक जटिल नियंत्रण संकेतों का उपयोग करें। आमतौर पर, इस प्रकार के एक्टुएटर को चलाने के लिए ± 2 वी या उससे कम के चरण वोल्टेज का उपयोग किया गया है। एक्टूएटर नियंत्रण विचारों के बारे में अधिक जानकारी के लिए रेफरी24 देखें ।
    3. इसके साथ ही लेजर विस्थापन मीटर या वीडियो कैमरे का उपयोग करके एक्ट्युएशन रिकॉर्ड करें।
  4. एसईएम इमेजिंग (पीटीएफई-आधारित एक्टुएटर) के लिए क्रायो-फ्रैक्चरिंग
    नोट: उन्हें तरल नाइट्रोजन में ठंड के बाद नमूनों को तोड़ना एसईएम इमेजिंग के दौरान स्वच्छ क्रॉस-सेक्शन प्राप्त करने के लिए पसंदीदा दृष्टिकोण है।
    सावधानी: कभी भी तरल नाइट्रोजन कंटेनर की टोपी को कसकर बंद न करें। दबाव buildup और उसके बाद रिहाई गंभीर चोटों का कारण बन सकता है । इसके अलावा, तरल नाइट्रोजन −196 डिग्री सेल्सियस पर उबलता है, इसलिए कम तापमान के कारण चोटों को रोकने के लिए भी सावधानी बरती जानी चाहिए।
    1. एक थर्मल इन्सुलेट कंटेनर में तरल नाइट्रोजन डालें (उदाहरण के लिए, एक डिस्पोजेबल फोम कप)
    2. सबसे पहले, नमूना और बाद में धातु उपकरण तरल नाइट्रोजन में रखें और नमूना लगभग 1 मिन के लिए फ्रीज कर दें।
      नोट: नीचे धातु उपकरण ठंडा (जैसे, एक स्केलपेल या चिमटी) तापमान मतभेदों के कारण किसी भी संभावित delamination को रोकने के लिए सलाह दी जाती है । हालांकि, धातुओं की बेहतर थर्मल चालकता के लिए पॉलीमेरिक समग्र धन्यवाद की तुलना में उपकरणों को कम ठंडा समय की आवश्यकता होती है। इसके अलावा, बहुत गहराई से ठंडा धातु उपकरण को संभालना असंभव हो सकता है।
    3. ठंडा चिमटी के दो सेट के साथ जमे हुए नमूने को पकड़ो और इसे तोड़ें।
  5. एसईएम इमेजिंग (टेक्सटाइल-प्रबलित एक्टुएटर) के लिए क्रायो-फ्रैक्चरिंग।
    नोट: वस्त्र प्रबलित एक्टुएटर (विशेष रूप से यदि ग्लास फाइबर का उपयोग किया जाता है) जमे हुए राज्य में भी नहीं टूट सकता है। एक ठंडा ब्लेड का उपयोग करके काटकर साफ क्रॉस-सेक्शन प्राप्त किए जा सकते हैं।
    1. एक्ट्युलेटर और तरल नाइट्रोजन में एक स्केलपेल फ्रीज करें (चरण 4.4.2 में नोट देखें)।
    2. जमे हुए नमूने को गैर-स्टिक काटने की सतह (जैसे, पीटीएफई का एक ब्लॉक) पर रखें और ठंडा स्केलपेल का उपयोग करके एक्टूएटर सामग्री काट लें।

Representative Results

एक सफल और एक असफल प्रयोग के बीच अंतर करने के लिए प्राथमिक अंत बिंदु बिजली की आपूर्ति से संपर्क किए जाने के बाद बिजली के संकेतों के लिए सामग्री की प्रतिक्रिया है। इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में, तांबा संपर्क बनाने के लिए एक प्रसिद्ध सामग्री है। हालांकि, तांबा भी इलेक्ट्रोकेमिकल रूप से सक्रिय है और इसलिए यहां शुरू की गई आयनिक प्रणाली के साथ संपर्क बनाने के लिए उपयुक्त नहीं है। तांबे के संपर्कों का उपयोग समग्र के माध्यम से dendrite गठन के कारण शॉर्ट सर्किट का कारण बन सकता है । इसके अलावा, सामग्री लक्षण वर्णन के मामले में, इलेक्ट्रोएक्टिव सामग्री से उपजी धाराओं (और एकाकरण) के बीच अंतर करना असंभव है और जो कॉपर29की इलेक्ट्रोकेमिकल गतिविधि से उपजी है। हमने पहले दिखाया है कि एकाकार - हालांकि अविश्वसनीय - बिना किसी अतिरिक्त सक्रिय सामग्री (यानी, कार्बन आधारित या चालक बहुलक इलेक्ट्रोड के बिना) गीले आयनमेर झिल्ली (जैसे, नैफियोन) और सिर्फ तांबेटर्मिनल29के मामले में संभव है। इसलिए, यहां सक्रिय सामग्री के साथ सभी प्रयोगकेवल निष्क्रिय सोने के संपर्कों का उपयोग करके किए गए हैं।

इलेक्ट्रोकेमिकल बाधा स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईआईएस) उपयोग से पहले कैपेसिटिव एक्टुएटर सामग्री के लक्षण वर्णन और समस्या निवारण के लिए एक गैर विनाशकारी तरीका है। चित्रा 4C और 4D में बाधा स्पेक्ट्रा दो इलेक्ट्रोड विन्यास में एक potentiostat/galvanostat/FRA का उपयोग कर कब्जा कर लिया गया । नमूना (20 मिमी x 4 मिमी x 150 माइक्रोन) सोने के संपर्कों के बीच रखा गया था, बाधा माप के दौरान इनपुट सिग्नल आयाम 5 एमवीआरएमएस और आवृत्तियों के लिए सेट किया गया था 200 kHz से 0.01 हर्ट्ज के लिए स्कैन किया गया। चित्रा 4C और 4D उच्च (~ 300ω सेमी2)या कम (~ 5ω सेमी2)आंतरिक प्रतिरोध के साथ एक्टुएटर से ठेठ बाधा स्पेक्ट्रा दिखाते हैं। स्पेक्ट्रा क्रमशः सूखे पीटीएफई झिल्ली और लथपथ झिल्ली के साथ एक अन्य नमूने के साथ एक नमूने का उपयोग करके दर्ज किया गया था। सामग्री के माध्यम से उच्च आयनिक चालकता तेजी से एक्टुएटर के अनुरूप होती है और संभवतः एक ही एक्टुएशन आवृत्ति (चित्रा 4बीदेखें) पर अधिक विस्थापन के अनुरूप होती है, यदि अन्य सभी पैरामीटर (जैसे, यांत्रिक मापदंडों) को अपरिवर्तित रखा जाता है और सामान्य रूप से सामग्री सक्रिय होती है।

कंपोजिट में शॉर्ट सर्किट का पता लगाने के लिए ईआईएस की गैर विनाशकारी प्रकृति विशेष रूप से फायदेमंद है। वर्तमान प्रोटोकॉल का पालन करने के लिए तैयार एक्टुएटर के मामले में, शॉर्ट सर्किट अक्सर एक्ट्युएटर के किनारों पर वर्तमान कलेक्टर मलबे के कारण होते हैं (चरण 4.1.1 में कटौती के निर्देश देखें) या शायद ही कभी दोषपूर्ण झिल्ली (उदाहरण के लिए, जब कपड़ा-प्रबलित झिल्ली में सभी पिनहोल को कवर नहीं किया जाता है जैसा कि धारा 1.5 में निर्देश दिया गया है)। एक प्रतिरोधक (इस मामले में एक शॉर्ट-सर्किट) को ईआईएस प्रयोग के Nyquist प्लॉट पर डॉट के रूप में प्रस्तुत किया जाएगा। इस तरह की प्रतिक्रिया को देखना एक दोषपूर्ण नमूने का एक निश्चित संकेतक है (कार्यात्मक कैपेसिटिव एक्टुएटर के संदर्भ स्पेक्ट्रा के लिए आंकड़े 4C और 4D देखें)। शॉर्ट-सर्किट नमूने आमतौर पर एक्टूएट नहीं होंगे। इसके अलावा, ये अक्सर प्रतिरोधी हीटिंग और समग्र के परिणामस्वरूप पिघलने के कारण स्थायी रूप से बेकार हो जाएंगे जब अभिनय करने की कोशिश की जाती है।

अपने कार्यात्मक रूप में, यह सामग्री एक डबल-लेयर कैपेसिटर है जो इसके निर्माण में उपयोग किए जाने वाले विशेष रूप से सिलवाया इलेक्ट्रोलाइट्स के लिए डबल लेयर के चार्ज करने और निर्वहन के जवाब में झुकने की गति दिखाता है। साइक्लिक वोल्टेमेट्री (सीवी) विभिन्न प्रणालियों का अध्ययन करने के लिए इलेक्ट्रोकेमिस्ट्री में एक व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली तकनीक है। एक सीवी प्रयोग के दौरान, काम करने वाले इलेक्ट्रोड की क्षमता (इस मामले में एक्ट्यूएटर के इलेक्ट्रोड में से एक) लगातार गति (जैसे, ± 2 वी के बीच 800 मीटर/एस) के साथ काउंटर इलेक्ट्रोड (यहां एक्ट्यूएटर के अन्य इलेक्ट्रोड) के संबंध में भिन्न होती है और सिस्टम से वर्तमान प्रतिक्रिया एक शक्तिशाली का उपयोग करके दर्ज की जाती है। कैपेसिटिव लेमिनेट से एक विशिष्ट वर्तमान प्रतिक्रिया चित्रा 4Eमें प्रस्तुत की जाती है । भिगोए गए पीटीएफई झिल्ली (4Eमें गहरे भूरे रंग में) के साथ नमूने की वर्तमान प्रतिक्रिया एक आदर्श कैपेसिटर के समान है: वर्तमान इलेक्ट्रोड क्षमता पर निर्भर नहीं करता है और क्षमता को पलटने पर, वर्तमान दिशा (और इसलिए इसका संकेत) तुरंत बदल दिया जाता है(लगभग) तुरंत, जिसके परिणामस्वरूप आयताकार वोल्टामोग्राम होता है। एक प्रारंभिक रूप से सूखी झिल्ली (4Eमें गुलाबी में) के साथ नमूने की वर्तमान प्रतिक्रिया इस स्कैन दर पर कम आदर्श कैपेसिटर व्यवहार दिखाती है, शायद सामग्री के उच्च आंतरिक प्रतिरोध के कारण (जैसा कि चित्रा 4Cमें ईआईएस द्वारा भी प्रमाणित किया गया है)। फिर भी, दोनों नमूने समग्र की क्षमता प्रकृति दिखाते हैं। दूसरी ओर, चित्रा 4E में हल्के ग्रे लाइनें दोषपूर्ण नमूनों (जैसे, शॉर्ट-सर्किट वाले) से संभावित व्यवहार दिखाती हैं जो ओम के कानून का बारीकी से पालन करेंगी।

विभिन्न कार्यात्मक एक्टूएटर का प्रदर्शन चित्र 4 ए और चित्रा 4Bमें प्रस्तुत किया गया है। चित्रा 4A वीडियो से स्नैपशॉट दिखाता है जहां एक 5-उंगली थर्मोपरेक्ट एक्टुएटर पकड़ता है, वोल्टेज चरणों के जवाब में बेतरतीब ढंग से आकार की वस्तु को धारण करता है और जारी करता है। सरल ज्यामिति का उपयोग आमतौर पर सामग्री लक्षण वर्णन उद्देश्यों के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, चित्रा 4B ± 2 वी के बीच त्रिकोणीय वोल्टेज संकेतों के जवाब में शुष्क और भिगोए हुए पीटीएफई झिल्ली एक्टुएटर के अधिकतम झुकने वाले कोण28,,30 पर प्रकाश डालता है। विभिन्न एक्टूएटर सामग्रियों की विशेषता के लिए, नमूने (4 मिमी x 20 मिमी x 150 माइक्रोन) को ब्रैटिलएवर स्थिति में सोने के क्लैंप (एक्टुएशन के लिए 18 मिमी मुफ्त लंबाई छोड़ने) के बीच रखा गया था और झुकने वाला कोण वीडियो कैमरे का उपयोग करके रिकॉर्ड किया गया था। वैकल्पिक रूप से, एक्टूलेटर (जैसे, संपर्कों से 5 मिमी) के साथ एक बिंदु की आवाजाही आमतौर पर समय पर निगरानी की गई है और तनाव अंतर गणना31,,32में उपयोग किया जाता है। वीडियो प्रसंस्करण, हालांकि अधिक जटिल, नमूने के पूरे झुकने वाले प्रोफ़ाइल के बारे में अधिक जानकारी देता है और बाद में प्रदर्शन का पुनर्विश्लेषण करने में भी सक्षम बनाता है, यदि ऐसी आवश्यकता उत्पन्न होनी चाहिए। चित्रा 4बी में 0.1 हर्ट्ज बिंदु सटीक उसी संकेत से मेल खाता है जैसा कि एक्स्टुशन वोल्टेज के साथ-साथ एक्ट्युएशन फ्रीक्वेंसी दोनों के संदर्भ में फिगर 4ईके चक्रीय वोल्टेमेट्री प्रयोगों में उपयोग किया जाता है। लक्षण वर्णन और एक्चुएशन के लिए एक ही संकेत का उपयोग करने से हमें, उदाहरण के लिए, सामग्री की क्षमता प्रकृति के बारे में और कार्यशीलता के दौरान इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रियाओं की स्थिरता और कमी के बारे में निष्कर्ष निकालने की अनुमति देता है।

इलेक्ट्रोकेमिकल विधियां (ईआईएस, सीवी), (आमतौर पर) माइक्रोमीटर स्तर (एसईएम) और विस्थापन लक्षण वर्णन में एक्टुएटर संरचना का दृश्य आयनिक एक्टुएटर की विशेषता और निर्माण प्रक्रिया की सफलता का मूल्यांकन करने के लिए सबसे आम तरीके हैं। हालांकि, अधिक विशिष्ट अनुप्रयोग में एक्ट्युलेटर के प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए कस्टम प्रयोग अक्सर आवेदन-विशिष्ट प्रदर्शन (उदाहरण के लिए, लोड ले जाने की क्षमता) का मूल्यांकन करने के लिए विकसित किए जाते हैं।

Figure 3
चित्रा 3: इमेजिंग। अत्यधिक असुरक्षित पीटीएफई झिल्ली(ए)और एक एक्टूएटर के एक क्रॉस-सेक्शन को दिखाने वाले इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ को स्कैन करना, जो एक ही झिल्ली का उपयोग करके बनाया गया था, जिसमें कोई डेलामिनेशन(सी)नहीं दिखाया गया है। एसईएम माइक्रोग्राफ जिसमें कपड़ा-प्रबलित एक्टुएटर(डी)का क्रॉस-सेक्शन और इसी रेशम सुदृढीकरण(बी)की एक ऑप्टिकल तस्वीर दिखाई गई है। एसईएम क्रॉस-सेक्शन के लिए नमूने पहले तरल नाइट्रोजन का उपयोग करके क्रायो-खंडित थे, जो धातु के नमूना धारक पर चढ़कर और फिर एक स्पटर कोटर का उपयोग करके बेहतर परिभाषा के लिए 5 एनएम सोने के साथ उड़ गए थे। 15 केवी त्वरण वोल्टेज पर इमेजिंग के लिए एक टेबलटॉप स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप का उपयोग किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: एक्ट्युलेटर के प्रतिनिधि परिणाम। (A)पांच हाथ के वेपर की वोल्टेज चरण और संबंधित छवियां यादृच्छिक आकार (संपर्कों के बिना एक्टूलेटर 21 मिलीग्राम; पॉलीस्टीरिन फोम लोड 17.8 मिलीग्राम) के साथ एक वस्तु को समान रूप से लोभी करती हैं; (ख)4 मिमी x 20 मिमी x 150 माइक्रोन पीटीएफई आधारित एक्टुएटर का कुल झुकने वाला कोण विभिन्न एक्चुएशन फ्रीक्वेंसी (एन =3, त्रुटि बार मतलब के एक मानक विचलन का प्रतिनिधित्व) पर त्रिकोणीय एक्ट्युएशन सिग्नल (± 2 वी) के जवाब में सोने के संपर्कों (18 मिमी मुक्त लंबाई) के बीच क्लैंप किया गया है; (सी और डी) इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय कैपेसिटिव लेमिनेट (5 एमवीआरएमएस सिग्नल आयाम) के विशिष्ट इलेक्ट्रोकेमिकल बाधा स्पेक्ट्रा; (ई) कैपेसिटिव लेमिनेट (800 एमवी/एस स्कैन गति का उपयोग करके त्रिकोणीय एक्टुन सिग्नल का विशिष्ट चक्रीय वोल्टेमेट्री जो बीमें 0.1 हर्ट्ज अंकों से मेल खाता है) । चक्रीय वोल्टामोग्राम पर ग्रे लाइनें तुलना के लिए हैं और संभावित दोषपूर्ण एक्टुएटर (अनिवार्य रूप से एक प्रतिरोधक) से प्रतिक्रिया दिखाएं जो ओम के कानून का बारीकी से पालन करेंगे। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्रा 5: झिल्ली तैयारी के दौरान स्पिन-सुखाने। (ए)सेटअप की योजनाबद्ध(बी)सेटअप की छवि को सुदृढीकरण के साथ एक फ्रेम के साथ संलग्न किया गया है। स्पिन सुखाने के दौरान, अपकेंद्रित्र बल फ्रेम के किनारे की ओर झिल्ली परत में अवशिष्ट विलायक निर्देशित करता है। यह सुखाने की प्रक्रिया को तेज करने के लिए फायदेमंद हो सकता है। हालांकि, पूरी तरह से गीली झिल्ली के मामले में, इसके परिणामस्वरूप सक्रिय सामग्री (बहुलक और आयनिक तरल) का नुकसान हो सकता है और इसलिए इससे बचा जाना चाहिए। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

हमने विभिन्न एक्टूलेटर अनुप्रयोगों के लिए आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय समग्र तैयारी के लिए एक सरल, तेज, दोहराने योग्य और बहुमुखी निर्माण विधि प्रस्तुत की, और ऊर्जा भंडारण, कटाई33 यासंवेदन 34 अनुप्रयोगों के लिए मामूली संशोधनों के साथ। वर्तमान विधि एक अभिन्न निष्क्रिय और रासायनिक निष्क्रिय घटक (उदाहरण के लिए, एक कपड़ा-प्रबलित बहुलक नेटवर्क या अत्यधिक असुरक्षित टेफ्लॉन झिल्ली के साथ झिल्ली पर केंद्रित है, यह भी चित्रा 3देखें) क्योंकि ऐसी झिल्ली बड़े पैमाने पर एक्टूलेटर तैयारी प्रक्रिया को भी काफी सरल करती है। इसके अलावा, परिणामी झिल्ली में इलेक्ट्रोड निलंबन में सॉल्वैंट्स (या इलेक्ट्रोलाइट) या कई अन्य सामान्य एक्टूएटर निर्माण विधियों और सामग्रियों की तुलना में शॉर्ट-सर्किट हॉटस्पॉट गठन के कारण सूजन और बकसुआ का खतरा कम होता है।

कैपेसिटिव एक्ट्युलेटर लेमिनेट तैयारी में महत्वपूर्ण कदम झिल्ली तैयार करना, इलेक्ट्रोड फैब्रिकेशन, वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट, कटिंग और संपर्क(चित्रा 2)हैं। इनमें से प्रत्येक चरण अनुकूलन और प्रदर्शन अनुकूलन के लिए जगह छोड़देता है, लेकिन गलतियों के लिए भी। निम्नलिखित खंड में हम इस निर्माण विधि के लाभकारी संशोधनों और समस्या निवारण रणनीतियों पर आगे विस्तार से चर्चा करेंगे। कई प्रमुख पहलुओं के परस्पर क्रिया से एक उच्च प्रदर्शन समग्र परिणाम जिन्हें ध्यान में रखने की आवश्यकता है: इलेक्ट्रोड के साथ पर्याप्त इलेक्ट्रॉनिक चालकता (कार्बन इलेक्ट्रोड में सोने के वर्तमान कलेक्टर जोड़ें); झिल्ली के माध्यम से पर्याप्त आयनिक चालकता (एक पतली असुरक्षित झिल्ली और पर्याप्त मात्रा में कम चिपचिपापन इलेक्ट्रोलाइट का उपयोग करें, एक निष्क्रिय बहुलक नेटवर्क का उपयोग करके झिल्ली और इलेक्ट्रोलाइट के बीच प्रतिकूल बातचीत पर जोखिम को कम करें); इलेक्ट्रोड का उच्च सतह क्षेत्र (एक उपयुक्त कार्बन प्रकार का चयन करें); सिलवाया इलेक्ट्रोलाइट्स जो इलेक्ट्रोड की विषम सूजन/संकुचन (एक उपयुक्त इलेक्ट्रोलाइट का चयन) में परिणाम देते हैं; यांत्रिक पैरामीटर (घटकों के युवा मोडुली)। एक उच्च प्रदर्शन कार्बन आधारित एक्टूलेटर के इन मुख्य पहलुओं को भी चित्रा 1Bपर प्रकाश डाला जाता है ।

एक उच्च प्रदर्शन झिल्ली इस समग्र का केंद्रीय हिस्सा है। इसमें दो कार्य हैं: उच्च आयनिक चालकता को सक्षम करते हुए इलेक्ट्रोड के बीच इलेक्ट्रॉन चालकता (शॉर्ट सर्किट) को रोकें। झिल्ली में संशोधन कई उद्देश्यों की सेवा कर सकते हैं, उदाहरण के लिए उपकरण एकीकरण जैसा कि चाहिए एट अल24 द्वारा पेश किया गया है या नए गुणों (जैसे, बायोअनुकूलता, बायोडिग्रेडेबिलिटी या विभिन्न यांत्रिक गुणों) के अलावा। वर्तमान निर्माण विधि को सक्रिय टुकड़े टुकड़े करने के लिए नए गुणों को पेश करने के लिए झिल्ली में अन्य बहुलक और इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करने के लिए संशोधित किया जा सकता है। कपड़ा प्रबलित एक्टूएटर के लिए यहां पेश की गई सॉल्वेंट चयन रणनीति की तरह, झिल्ली तैयारी की तुलना में बाद के इलेक्ट्रोड निर्माण के लिए गरीब सॉल्वैंट्स का चयन करने की सलाह दी जाती है। यह सुनिश्चित करता है कि झिल्ली इलेक्ट्रोड के अलावा के बाद भी कार्यात्मक और बरकरार रहती है।

अंतिम समग्र का एक्चुएशन प्रदर्शन चयनित इलेक्ट्रोड सामग्री (कार्बन), इलेक्ट्रोलाइट और संभवतः एक दूसरे के साथ उनकी अनुकूलता से प्रभावित होता है। यह प्रोटोकॉल बोरोन कार्बाइड व्युत्पन्न कार्बन और 1-एथिल-3-मिथाइमिडिडाजोलियम ट्राइफ्लोरोमेथेम्सल्फोनेट ([ईएमआईएम][ओटीएफ]) आयनिक तरल का उपयोग करके कार्बन-आधारित कैपेसिटिव लेमिनेट के निर्माण का परिचय देता है। हालांकि, यही प्रोटोकॉल अन्य उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र कार्बन सामग्रियों के लिए अनुकूलनीय है, जैसे अन्य स्रोतों से कार्बाइड-व्युत्पन्न कार्बन (जैसे, टीईसी35,एसआईसी या एमओ2सी36),कार्बन नैनोट्यूब8,,37,कार्बन एयरोगेल38 या ग्राफीन39,और अन्य, जैसा कि हाल ही में40की समीक्षा की गई थी। इसके अलावा, एक्टूलेटर तैयारी में अन्य इलेक्ट्रोलाइट्स का भी उपयोग किया जा सकता है। एक कार्यात्मक समग्र प्राप्त करना इस प्रोटोकॉल में प्रस्तुत कार्बन और आयनिक तरल प्रकार तक ही सीमित नहीं है। कार्बन कण का आकार, इलेक्ट्रोड निलंबन में उनके संभावित समूह और निलंबन चिपचिपाहट स्प्रे-कोटिंग प्रक्रिया के लिए अधिक महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं।

यह विधि इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय लेमिनेट सामग्री के उत्पादन को बड़ी मात्रा में प्रजनन योग्य गुणों के साथ सक्षम बनाती है। इस सामग्री से बने एक्टुएटर का लघुकरण मुख्य रूप से उच्च सटीक काटने (जैसे, चित्रा 3 C)का उपयोग करके किया जाता है। स्प्रे-कोटिंग41के दौरान मास्किंग और पैटर्निंग जैसी ठीक संरचनाओं को तैयार करने के वैकल्पिक तरीके संभव हैं। इसके अलावा, मिलीमीटर पैमाने पर संरचनाओं को बाद में सोने के वर्तमान कलेक्टर अटैचमेंट चरण में भी पैटर्न किया जा सकता है। हालांकि, उप मिलीमीटर पैमाने में यह काफी मुश्किल हो सकता है । सोने के वर्तमान कलेक्टरों के बिना अन्य प्रकार के एक्टुएटर या कार्बन-आधारित एक्टुएटर को तैयार करना आसान हो सकता है, यदि पैटर्न योग्य विशेषताएं माइक्रोमीटर पैमाने में होनी चाहिए।

आंतरिक रूप से नरम एक्टुएटर जो विद्युत उत्तेजनाओं का जवाब देते हैं, उनके नरम और आज्ञाकारी प्रकृति, शांत ऑपरेशन और कम आवश्यक वोल्टेज के स्तर के लिए कई फायदे हैं। वर्तमान प्रोटोकॉल से पता चलता है कि कैसे बड़ी मात्रा में और उच्च बैच के साथ इस तरह की सामग्री का उत्पादन करने के लिए बैच और भीतर बैच दोहराव एक्ट्युएशन प्रदर्शन से समझौता किए बिना । वर्तमान विधि में संशोधन ों को और अधिक जैव के अनुकूल और संभवतः जैव-डिग्रेडेबल घटकों को भी शामिल किया गया है जो सफल कुल एनकैप्सुलेशन दृष्टिकोण के अलावा जीवित जीवों के ऑपरेशन को सक्षम करेंगे, और भविष्य के लिए नरम रोबोटिक या बायोमेडिकल उपकरणों में पेश की गई सक्रिय सामग्री के एकीकरण की कल्पना की गई है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक सहायक चर्चाओं के लिए फिलिप्स रिसर्च से रॉन होवेनकामप और मार्सेल मुल्डर का शुक्रिया अदा करना चाहेंगे । इस काम को आंशिक रूप से एस्टोनियाई शिक्षा और अनुसंधान मंत्रालय के संस्थागत अनुसंधान वित्तपोषण IUT (IUT 20-24) द्वारा समर्थित किया गया था, एस्टोनियाई अनुसंधान परिषद अनुदान (PUT1696), यूरोपीय क्षेत्रीय विकास कोष द्वारा, कार्यक्रम मोबिलिटाप्लस (अनुदान नहीं MOBTP47) द्वारा, यूरोपीय संघ के क्षितिज 2020 अनुसंधान और नवाचार कार्यक्रम द्वारा मैरी Skłodowska-क्यूरी अनुदान समझौते नहीं 793377 (BIOACT) के तहत, और परियोजना इम्पैक्ट-एमआईआई द्वारा , एक ईआईटी स्वास्थ्य नवाचार परियोजना। EIT स्वास्थ्य EIT, यूरोपीय संघ के एक शरीर द्वारा समर्थित है ।

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

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JoVE में इस महीने मुद्दा १५८ स्मार्ट सामग्री नरम रोबोटिक्स इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय ईएपी एक्टूलेटर कार्बन आयनिक तरल आयनिक एक्टुएटर पीटीएफई तरल नाइट्रोजन क्रायो-फ्रैक्चरिंग फ्रीज-फ्रैक्चरिंग
कार्बन आधारित आयनिक इलेक्ट्रोमैकेनिकल रूप से सक्रिय सॉफ्ट एक्टुएटर का निर्माण
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Rinne, P., Põldsalu, I., Ratas, … More

Rinne, P., Põldsalu, I., Ratas, H. K., Kruusamäe, K., Johanson, U., Tamm, T., Põhako-Esko, K., Punning, A., Peikolainen, A. L., Kaasik, F., Must, I., van den Ende, D., Aabloo, A. Fabrication of Carbon-Based Ionic Electromechanically Active Soft Actuators. J. Vis. Exp. (158), e61216, doi:10.3791/61216 (2020).

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