Summary
Questo articolo descrive un processo di produzione semplice e veloce di materiali compositi elettromeccanici attivi ionici per attuatori in applicazioni di robotica biomedica, biomimetica e morbida. I passaggi chiave di fabbricazione, la loro importanza per le proprietà finali degli attuatori e alcune delle principali tecniche di caratterizzazione sono descritti in dettaglio.
Abstract
I laminati capacitivi elettromeccanicamente attivi sono un tipo di materiale intelligente che si muove in risposta alla stimolazione elettrica. A causa della natura morbida, conforme e biomimetica di questa deformazione, gli attuatori fatti del laminato hanno ricevuto un crescente interesse per la robotica morbida e le applicazioni (bio)mediche. Tuttavia, sono necessari metodi per fabbricare facilmente il materiale attivo in grandi quantità (anche industriali) e con un'elevata ripetibilità batch-to-batch e all'interno del lotto per trasferire le conoscenze dal laboratorio all'industria. Questo protocollo descrive un metodo semplice, industrialmente scalabile e riproducibile per la fabbricazione di laminati capacitivi elettromeccanici ionici a base di carbonio e la preparazione di attuatori realizzati. L'inclusione di uno strato intermedio passivo e chimicamente inelusivo (insolubile) (ad esempio, una rete polimerica rinforzata con tessuti o teflon microporoso) distingue il metodo dagli altri. Il protocollo è suddiviso in cinque fasi: preparazione della membrana, preparazione degli elettrodi, attacco del collettore corrente, taglio e sagomatura e azionamento. Seguendo il protocollo si ottiene un materiale attivo che può, ad esempio, afferrare e contenere in modo conforme un oggetto a forma casuale, come dimostrato nell'articolo.
Introduction
Polimeri ionici elettromeccanici attivi o compositi polimerici sono materiali intrinsecamente morbidi e conformi che hanno ricevuto un crescente interesse per diverse applicazioni robotiche e biomimetiche (ad esempio, come attuatori, pinze o robot bioispirati1,2). Questo tipo di materiale risponde ai segnali elettrici nella gamma di pochi volt, che li rende facili da integrare con l'elettronica convenzionale e le fonti di alimentazione3. Sono disponibili molti tipi diversi di materiali di base dell'attuatore ionico, come descritto in dettaglio altrove4, e di recente5. Inoltre, recentemente è stato sottolineato in particolare che lo sviluppo di dispositivi robotici morbidi sarà strettamente legato allo sviluppo di processi di produzione avanzati per materiali e componenti attivi rilevanti6. Inoltre, l'importanza di un flusso di processo efficiente e consolidato nella preparazione di attuatori riproducibili che hanno il potenziale per passare dal laboratorio all'industria è stata evidenziata anche in precedenti studi basati su metodi7.
Nel corso degli ultimi decenni, molti metodi di fabbricazione sono stati sviluppati o adattati per la preparazione di attuatori (ad esempio, fusione strato per strato8 e pressatura a caldo9,10, impregnazione-riduzione11, pittura12,13, o sputtering e successiva sintesi elettrochimica14,15, stampa a getto d'inchiostro16 e spin-coating17); alcuni metodi sono più universali, e alcuni sono più limitanti in termini di selezione del materiale rispetto ad altri. Tuttavia, molti dei metodi attuali sono piuttosto complicati e/o più adatti per la fabbricazione su scala di laboratorio. Il protocollo attuale si concentra su un metodo di fabbricazione dell'attuatore veloce, ripetibile, affidabile, automatizzabile e scalabile per produrre laminati attivi con bassa variabilità batch-to-batch e all'interno del lotto e una lunga durata dell'attuatore18. Questo metodo può essere utilizzato dagli scienziati dei materiali per sviluppare attuatori ad alte prestazioni per la prossima generazione di applicazioni bioispirate. Inoltre, seguendo questo metodo senza modifiche, gli ingegneri di robotica morbida e gli insegnanti un materiale attivo per lo sviluppo e la prototipazione di nuovi dispositivi o per l'insegnamento di concetti di robotica morbida.
Polimeri o attuatori polimerici elettromeccanici ionici attivi sono tipicamente costituiti da compositi laminari a due o tre strati e si piegano in risposta alla stimolazione elettrica nell'intervallo di pochi volt (Figura 1). Questo movimento di piegatura è causato dagli effetti di gonfiore e contrazione negli strati degli elettrodi, ed è tipicamente portato con sé o da reazioni faradaiche (redox) sugli elettrodi (ad esempio, in caso di polimeri elettromeccanici attivi (EAP) come i polimeri conduttivi) o dalla carica capacitiva del doppio strato (ad esempio, negli elettrodi polimerici a base di carbonio, dove il polimero potrebbe agire solo come legante). In questo protocollo (Figura 2), ci concentriamo su quest'ultimo; mostriamo la fabbricazione di un composito elettromeccanico attivo che consiste di due elettrodi a base di carbonio ad alta superficie specifica che sono separati da una membrana io-conduttiva ionica inerte che facilita il movimento di cations e anioni tra gli elettrodi – una configurazione molto simile ai supercondensatori. Questo tipo di attuatore si piega in risposta alla carica/scarico capacitivo e al conseguente gonfiore/contrazione degli elettrodi è tipicamente attribuito alle differenze nel volume e nella mobilità di cations e anioni dell'elettrolita8,10,19. A meno che il carbonio funzionalizzato per superficie non venga utilizzato come materiale attivo o composito capacitivo venga utilizzato al di fuori della finestra potenziale di stabilità elettrochimica dell'elettrolita, non si prevede reazioni faradaiche su questo tipo di elettrodi20. La mancanza di reazioni faradaiche è il principale contributore alla vita beneficamente lunga di questo materiale attuatore (cioè migliaia di cicli in aria8,18 mostrati per diversi attuatori capacitivi).
Figura 1: La struttura dell'attuatore a base di carbonio nella versione neutra (A) e nello stato azionato (B). (B) evidenzia anche le caratteristiche chiave che determinano le prestazioni di un attuatore ionico. Nota: la figura non viene disegnata in scala. La dimensione degli ioni è stata esagerata per illustrare il meccanismo di azionamento più comunemente citato prevalente nel caso di una membrana inerte che consente la mobilità di entrambi gli anioni e le cazioni dell'elettrolita (ad esempio, liquido ionico). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Ottenere una membrana funzionale che rimane intatta durante l'intero processo di fabbricazione è uno dei passaggi chiave nella preparazione efficace dell'attuatore. Una membrana ad alte prestazioni per un attuatore è il più sottile possibile e consente la conduttività ionica tra gli elettrodi bloccando qualsiasi conduttività elettronica. La conduttività ionica nella membrana può derivare dalla combinazione dell'elettrolita con una rete porosa inerte (ad esempio, l'approccio utilizzato in questo protocollo) o dall'utilizzo di polimeri specifici con unità ionizzate covalentmente incollate o altri gruppi che consentono interazioni con l'elettrolita. Il primo approccio è preferito qui per la sua semplicità, mentre le interazioni specificamente su misura tra l'elettrolita e la rete polimerica potrebbero anche avere vantaggi, se si possono escludere interazioni sfavorevoli (ad esempio, bloccando o rallentando significativamente il movimento iotecnico a causa delle interazioni). La vasta selezione di membrane ionomeriche o altrimenti attive per gli attuatori elettromeccanici attivi e i loro meccanismi di azionamento risultanti sono stati recentemente esaminati21. La selezione della membrana, oltre alla selezione degli elettrodi, svolge un ruolo cruciale nelle prestazioni, nella durata e nel meccanismo di azionamento dell'attuatore. Il protocollo attuale si concentra principalmente sulle membrane inevoche che forniscono la struttura porosa per la migrazione degli ioni (come mostrato nella Figura 1),anche se parti del protocollo (ad esempio, l'opzione membrana C) potrebbero rivelarsi utili anche per le membrane attive.
Oltre alla selezione del materiale della membrana, il suo metodo di fabbricazione svolge anche un ruolo importante nell'ottenere un separatore funzionale per il composito. Le membrane di colata utilizzate in precedenza tendono a fondersi durante la fase successiva di pressatura a caldo e possono quindi formare punti caldi a corto circuito22. Inoltre, le membrane ionomeriche commerciali (ad esempio, Nafion) tendono a gonfiarsi e fibbia in modo significativo in risposta ai solventi utilizzati nelle fasi di fabbricazione successive12e alcuni polimeri (ad esempio, la cellulosa23)sono noti per dissolversi in una certa misura in alcuni liquidi ionici, causando probabilmente problemi con la ripetizione del processo di fabbricazione e con conseguente scarsa uniformità degli elettrodi. Pertanto, questo protocollo si concentra sugli attuatori con un componente integrale passivo e chimicamente inerte nella membrana (ad esempio, fibra di vetro o seta con PVDF o PTFE) che impedisce al composito di gonfiarsi e alla deformazione nelle fasi di fabbricazione successive o alla formazione di circuiti brevi. Inoltre, l'aggiunta di un componente inerte e passivo semplifica notevolmente il processo di produzione e consente di ottenere lotti di dimensioni maggiori rispetto ai metodi più tradizionali.
L'inclusione di un rinforzo passivo nella membrana è stata introdotta per la prima volta da Kaasik et al. 18 per affrontare i problemi di cui sopra nel processo di produzione dell'attuatore. L'inclusione di un rinforzo tessile tessuto (vedi anche Figura 3B e 3D) introduce ulteriormente la capacità di integrare gli strumenti nel composito attivo24 o di sviluppare tessuti intelligenti18. Pertanto, l'opzione membrana C nel protocollo è più adatta per tali applicazioni. Tuttavia, nel caso di attuatori miniaturizzati (nel livello sub-millimetrico), il rapporto componente passivo-attivo nella membrana diventa sempre più sfavorevole e l'inclusione di un rinforzo tessile ordinato potrebbe iniziare a influenzare negativamente le prestazioni dell'attuatore e la ripetibilità da campione a campione. Inoltre, la direzione del rinforzo (lungo o diagonale rispetto alla direzione di piegatura) potrebbe influire sulle prestazioni di attuatori più complessi in modo imprevisto. Pertanto, una struttura inerte meno ordinata e altamente porosa sarebbe più vantaggiosa per gli attuatori miniaturizzati e forme attuatori più complesse.
Il politetrafluoroetilene (PTFE, noto anche sotto il nome commerciale Teflon) è uno dei polimeri più inerti conosciuti fino ad oggi. È tipicamente altamente idrofobico, ma esistono versioni idrofile che sono rese, che sono più facilmente utilizzabili nella fabbricazione dell'attuatore. La figura 3A illustra la struttura casuale di una membrana di filtrazione ptFE idrofila inerte utilizzata in questo protocollo per la preparazione dell'attuatore. Oltre all'uniformità di questo materiale in tutte le direzioni che è utile per tagliare attuatori miniaturizzati o forme complesse, utilizzando una membrana di filtrazione commerciale con porosità controllata semplifica ulteriormente il processo di fabbricazione dell'attuatore quasi eliminando la necessità di qualsiasi preparazione della membrana. Inoltre, gli spessori di membrana a partire da 30 m sono estremamente difficili da ottenere nella configurazione rinforzata con il tessuto descritta in precedenza. Pertanto, i metodi di fabbricazione dell'attuatore basati su PTFE (opzioni A e B) da questo protocollo dovrebbero essere preferiti nella maggior parte dei casi, considerando ulteriormente che l'opzione A è più veloce, ma gli attuatori realizzati utilizzando l'opzione B mostrano ceppi più grandi (nell'intervallo di frequenza presentato nella Figura 4B). La pinza morbida introdotta nella sezione dei risultati rappresentativi è stata preparata anche utilizzando la membrana PTFE imbevuta per la prima volta nell'elettrolita.
Dopo aver preparato una membrana funzionale, il protocollo continua con la preparazione dell'elettrodo e l'attacco corrente del collettore. Gli elettrodi a base di carbonio vengono aggiunti utilizzando il rivestimento a spruzzo, una procedura consolidata industrialmente che consente un elevato controllo sullo spessore dello strato di elettrodi risultante. Elettrodi più uniformi sono prodotti con rivestimento a spruzzo rispetto, ad esempio, al metodo di colata (o forse anche ad altri metodi liquidi) in cui si sa la sedimentazione delle particelle di carbonio durante l'essiccazione della pellicola25. Inoltre, un'ulteriore caratteristica del metodo di fabbricazione presentato si basa sulla strategia di selezione dei solventi più importante nel caso di membrane rinforzate in tessuto. Più precisamente, 4-metil-2-pentanone (il solvente nella soluzione di sospensione e colla elettrodo) non dissolve i rinforzi della membrana inerte o PVDF che viene utilizzato nella soluzione di membrana della membrana rinforzata tessile. Pertanto, il rischio di creare hotspot a corto circuito nel composito durante il rivestimento a spruzzo è ulteriormente ridotto.
Il laminato capacitivo è già attivo dopo l'applicazione di elettrodi di carbonio. Tuttavia, un ordine di grandezza attuatori più veloci26 sono ottenuti con l'applicazione di collezionisti di corrente d'oro. Un altro passo importante nel protocollo è l'attaccamento dei collettori attuali mentre l'elettrodo corrispondente è nello stato allungato (cioè, il composito è piegato). Pertanto, nello stato piatto neutro dell'attuatore, la foglia d'oro sarà allacciata nel livello submillimetrico. Questo approccio buffering-by-buckling27 consente deformazioni più elevate senza rottura rispetto a quanto sarebbe altrimenti possibile per una lastra di metallo fine (100 nm).
Tutte le fasi di produzione dell'attuatore (preparazione della membrana, irrorazione degli elettrodi, attacco del collettore corrente) sono state riassunte anche nella Figura 2. Per la dimostrazione di caratterizzazione delle prestazioni, abbiamo preparato una pinza che è conforme afferrare, tenere e rilasciare un oggetto di forma casuale con una trama di superficie casuale. Geometrie più semplici, come campioni rettangolari con proporzioni 1:4 o superiori (ad esempio, da 4 mm a 20 mm o anche da 1 mm a 20 mm28)ritagliate dal materiale attivo e bloccate in posizione a sbalzo sono anche molto tipiche per la caratterizzazione del materiale o altre applicazioni che utilizzano il comportamento del tipo di piegatura.
L'articolo si conclude con una breve introduzione alla tipica caratterizzazione del materiale capacitivo elettromeccanico elettromeccanicamente attivo e alle tecniche di risoluzione dei problemi utilizzando la geometria dell'attuatore rettangolare più semplice. Mostriamo come utilizzare comuni tecniche di caratterizzazione elettrochimica come la voltammetria ciclica (CV) e la spettroscopia elettrochimica di impedimento (EIS) per caratterizzare e risolvere i problemi del materiale attuatore in modo più dettagliato. La visualizzazione del composito a livello di sub-millimetri viene effettuata utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM), per la quale utilizziamo la tecnica crio-fratturazione per preparare i campioni. La natura polimerica del materiale rende difficile ottenere sezioni trasversali chiare con solo taglio regolare. Tuttavia, l'interruzione dei campioni congelati produce sezioni trasversali ben definite.
Figura 2: Panoramica del processo di fabbricazione. I passaggi più importanti sono evidenziati. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Protocol
AVVISO: Molte sostanze chimiche e componenti utilizzati in questo protocollo sono pericolosi, si prega di consultare le schede tecniche di sicurezza pertinenti (SDS) per ulteriori informazioni prima di iniziare l'esperimento. Si prega di utilizzare un cappuccio fumio e dispositivi di protezione personale (guanti, occhiali, camice da laboratorio) quando si maneggiano solventi volatili durante l'esperimento (ad esempio, durante la preparazione delle soluzioni, rendendo la membrana rinforzata, spruzzando gli elettrodi e attaccando gli attuali collettori). Prevenire il contatto diretto della pelle con il composito finale (a meno che non sia incapsulato28) indossando sempre i guanti.
1. Fare la membrana separatore
- Prendere una cornice, ad esempio una cornice da ricamo.
NOTA: Abbiamo utilizzato telai standard da 7,5 cm a 25 cm a seconda della dimensione del lotto desiderata. Ancora più importante, il telaio dovrebbe essere fatto di materiali in grado di resistere ai solventi e altri materiali utilizzati nella ricetta. Ad esempio, un telaio ricamo in polipropilene viene utilizzato in questo protocollo. Tuttavia, in caso di dubbi, si consiglia di eseguire un test di solvente sul telaio. - Scegliere tra le opzioni da A a C (descritte in precedenza e presentate nella Figura 2) per trovare la configurazione della membrana più adatta per l'applicazione pianificata. Solo una delle tre membrane è necessaria per preparare il materiale attuatore funzionale.
- Opzione A: Utilizzo di membrane di filtrazione commerciale altamente porose nella preparazione di separatori ioni-conduttivi
- Prendere una membrana filtrazione ad alta porosità (come un filtro a membrana PTFE di 30 m di spessore e 80%). Se il filtro standard è troppo grande per il telaio, tagliarlo in forma utilizzando le forbici. Tagliare la membrana tra i fogli di trasferimento per evitare la contaminazione.
- Fissare e tesare la membrana di filtrazione secca sul telaio.
NOTA: Alcune membrane di filtrazione possono essere piuttosto fragili allo stato asciutto. Fissare le membrane secche con estrema attenzione per evitare strappi. - Andare al passo 2 per continuare con la preparazione composita elettromeccanicamente attiva.
- Opzione B: Utilizzo di membrane di filtrazione commerciale elettrolitiche-impregnate nella preparazione di separatori ioni-conduttivi ionici
- Prendere una membrana filtrazione ad alta porosità (come un filtro a membrana PTFE di 30 m di spessore e 80%). Se il filtro standard è troppo grande per il telaio, tagliarlo in forma utilizzando le forbici. Tagliare la membrana tra i fogli di trasferimento per evitare la contaminazione.
- Registrare la massa della membrana secca utilizzando un equilibrio analitico per calcolare l'assorbimento degli elettroliti in un secondo momento. Questo passaggio è necessario solo per il monitoraggio della ripetibilità da batch a batch e può essere ignorato in caso contrario.
- Mettere la membrana secca in un piatto Petri e utilizzare una pipetta per aggiungere un eccesso di liquido ionico (ad esempio, 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethansulminanato ([EMIM][OTf])).
AVVISO: Utilizzare i guanti per evitare il contatto con la pelle. - Inclinare leggermente il disco Petri per assicurarsi che l'intera membrana sia ricoperta di liquido ionico o utilizzare una pipetta per trasferire il liquido ionico nelle aree in cui la membrana è ancora asciutta.
- Lasciare in ammollo la membrana nel liquido ionico per ottenere il massimo assorbimento di elettroliti.
- Una volta che la membrana è sufficientemente imbevuta (nel video dopo circa 1 minuto), pipet off la maggior parte del liquido ionico in eccesso.
- Utilizzando una pinzetta, posizionare con attenzione la membrana tra le carte filtranti per rimuovere il resto del liquido ionico che non è stato assorbito dalla membrana. La membrana finale deve essere semitrasparente ma non bagnata.
- Registrare la massa della membrana imbevuta e asciugata dalla fase 1.4.7 utilizzando un equilibrio analitico. Questo passaggio è necessario solo per il monitoraggio della ripetibilità da batch a batch e può essere ignorato in caso contrario.
NOTA: In caso di membrane PTFE altamente porose e liquidi ionici relativamente a bassa viscosità (ad esempio, [EMIM][OTf]), l'assorbimento massimo di liquidi ionici viene raggiunto quasi immediatamente. L'utilizzo di liquidi ionici diversi e membrane polimeriche commerciali diverse (meno porose) potrebbe comportare tempi di ammollo più lunghi. Tale necessità può essere determinata ripetendo i passaggi da 1.4.1 a 1.4.8. fino a ottenere una massa di membrana costante. Tuttavia, se l'elettrolita è troppo viscoso o la membrana non abbastanza porosa, le prestazioni dell'attuatore potrebbero non essere molto elevate. - Fissare e tesare la membrana imbevuta e asciugata sul telaio evitando rughe e pieghe.
- Opzione C:Realizzazione di una membrana tessile-rinforzata ionica che potrebbe essere utile quando si pianifica l'utilizzo di polimeri personalizzati (cioè polimeri non disponibili come membrane commerciali (filtrazione), spessori di membrana personalizzati, liquidi ionici con maggiore viscosità o durante l'integrazione di strumenti nell'attuatore. Qui mostriamo la procedura di base per la fabbricazione di membrana rinforzata in tessuto che può, ad esempio, essere modificata per includere strumenti o tubi (vedi Ref24per ulteriori informazioni).
- In una fiaschetta Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 2 g di fluoruro di polivinylidene (PVDF), 2 g di liquido ionico (ad esempio, [EMIM][OTf]), 4 mL di carbonato di propilene (PC) e 18 mL di N,N-dimethylacetamide (DMAc).
NPItA: DMAc e PC sono rischi tossici e per la salute e possono irritare la pelle e gli occhi. Manico con cura, utilizzare una cappa di fumi e dispositivi di protezione personale. - Aggiungere una barra magnetica e chiudere il flacone con un tappo.
- Sigillare il pallone con una pellicola elastica di laboratorio a base di polietilene per evitare l'evaporazione dei solventi.
NOTA: Utilizzare una pellicola elasticizzata in grado di resistere mescolando a 70 gradi centigradi (ad esempio, il punto di fusione di Parafilm è di soli 60 gradi centigradi, e quindi Parafilm non sarebbe adatto a questa applicazione). - Mescolare la soluzione per una notte a 70 gradi centigradi utilizzando un agitatore magnetico e una piastra calda a temperatura controllata. Impostare la velocità di agitazione a media. Una velocità di agitazione troppo elevata può introdurre troppa aria nella soluzione, mentre un agitazione troppo lenta potrebbe comportare tempi di preparazione significativamente più lunghi.
NOTA: l'esperimento può essere sospeso qui e portato avanti in un secondo momento. La soluzione preparata può essere conservata in un recipiente sigillato per un periodo prolungato. Riscaldare e mescolare la soluzione memorizzata prima di iniziare a usarla di nuovo (la miscelazione a 70 gradi centigradi per 1 ora è in genere sufficiente). - Ritagliare un pezzo di tessuto (ad esempio, seta o tessuto in fibra di vetro) utilizzando le forbici.
NOTA: I tessuti con composizione ineretta della fibra come la seta o la fibra di vetro funzionano meglio perché i solventi della soluzione a membrana non li dissolvono. Tuttavia, si consiglia di effettuare un test di solvente prima di utilizzare qualsiasi tessuto. I tessuti leggeri sono preferiti perché questi tessuti influenzano l'attuazione del composito finale. Nel video, abbiamo usato tessuto di seta tessuto (11,5 g/m2). - Fissare e tesare il tessuto su un telaio.
- Tagliare il tessuto in eccesso utilizzando le forbici e rimuovere con attenzione eventuali fibre sciolte a mano.
- Mentre si lavora sotto il cofano fumi, coprire il tessuto con un sottile strato di soluzione a membrana utilizzando un pennello.
- Lasciare asciugare completamente lo strato. Un cannone ad aria calda a bassa velocità da solo prima e poi insieme a una configurazione dedicata (vedi Figura 5 per i dettagli) può essere utilizzato per accelerare il processo di evaporazione del solvente.
NOTA: l'utilizzo di una velocità di rotazione troppo elevata con la configurazione dedicata su una membrana relativamente umida potrebbe causare deformazioni agli strati della membrana e potrebbe causare la perdita di materiale della membrana. - Dopo che lo strato si è asciugato, ispezionare il composito contro la retroilluminazione per individuare i fori. Un microscopio può essere utilizzato anche per questo scopo.
- Se ci sono fori nella membrana, applicare un altro strato di rivestimento ripetendo i passi 1.5.8. e 1.5.9.
- Alternare tra i lati del tessuto quando si applica la soluzione di membrana per garantire che il rinforzo (cioè, il piano neutro) rimanga al centro della membrana (vedere l'immagine SEM in Figura 3D che mostra le fibre tessili posizionate al centro dello strato di membrana).
NOTA: i solventi nella soluzione polimerica dissolvono lentamente i livelli applicati in precedenza. Pertanto, aggiungere gli strati di membrana successivi con estrema cautela per evitare danni alla membrana già applicata. Applicare gli strati più sottili possibile e non superare mai due volte le superfici già bagnate. - Una volta ottenuta una membrana priva di difetti, verificarne lo spessore finale utilizzando un misuratore a vite a micrometri. In genere, è necessario applicare almeno tre strati, con una membrana spessa circa 50 m.
- Lasciare la membrana finita dopo-asciugare sotto il cofano fumatore per almeno 24 ore.
NOTA: L'esperimento può essere messo in pausa qui e portato avanti in seguito con l'irrorazione degli elettrodi. Tuttavia, si consiglia di proteggere la membrana preparata contro le particelle di polvere durante l'essiccazione.
- In una fiaschetta Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 2 g di fluoruro di polivinylidene (PVDF), 2 g di liquido ionico (ad esempio, [EMIM][OTf]), 4 mL di carbonato di propilene (PC) e 18 mL di N,N-dimethylacetamide (DMAc).
2. Fare gli elettrodi
NOTA: La sospensione dell'elettrodo è costituita dalla soluzione elettrodo A (una soluzione polimerica) e dalla sospensione dell'elettrodo B (contenente la polvere di carbonio e l'elettrolita) che vengono preparati separatamente e quindi mescolati insieme per ottenere la sospensione finale. Il solvente selezionato per la sospensione dell'elettrodo non dissolve i rinforzi della membrana inerte o PVDF che viene utilizzato nella configurazione della membrana rinforzata in tessuto. Pertanto, il rischio di danneggiare la membrana già ottenuta durante l'aggiunta di elettrodi è ridotto al minimo.
- Preparazione della soluzione elettrodo A
- In un pallone Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 2 g di poli(vinylidene fluoruro-co-exafluorpropylene) (PVDF-HFP) e 24 mL di 4-metil-2-pentanone (MP).
AVVISO: IL MP è infiammabile e acutamente tossico. Utilizzare un cappuccio con fumi e un equipaggiamento protettivo personale. - Aggiungere una barra magnetica e chiudere il flacone con un tappo.
- Sigillare il pallone con pellicola elastica da laboratorio a base di polietilene.
- Mescolare la soluzione a velocità media a 70 gradi utilizzando un agitatore magnetico e una piastra calda a temperatura controllata fino a quando il polimero si è sciolto completamente, in genere durante la notte.
NOTA: il protocollo può essere messo in pausa qui. La soluzione preparata può essere conservata in un recipiente chiuso e sigillato per un periodo prolungato. Se la soluzione si è trasformata in un gel, riscaldarla (a 70 gradi centigradi) e mescolarla prima di utilizzarla nel passaggio 2.3. Non è necessario aggiungere più solvente. Tipicamente, le quantità in questa ricetta producono per circa 150 cm2 di materiale attivo (spessore composito finale di circa 150 m). Ciò corrisponde a due lotti di telaio ricamo di 10 cm di diametro.
- In un pallone Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 2 g di poli(vinylidene fluoruro-co-exafluorpropylene) (PVDF-HFP) e 24 mL di 4-metil-2-pentanone (MP).
- Preparazione della sospensione dell'elettrodo B
- In un altro flacone Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 1,75 g di carbonio (ad esempio, carbonio derivato da carbide dal TiC o B4C precursore), 2 g di liquido ionico (ad esempio, [EMIM][OTf]) e 10 mL di MP.
AMMONIMento: Gli effetti di ricarica elettrostatici indesiderati potrebbero rendere molto difficile la pesatura della polvere di carbonio. Indossare calzature dissiative statiche durante la pesatura per ridurre l'accumulo di elettricità statica. Inoltre, utilizzare dispositivi di protezione personale per prevenire l'inalazione di particelle di carbonio fini. - Mescolare la sospensione in un recipiente chiuso a temperatura ambiente per almeno 1 h utilizzando un agitatore magnetico. In alternativa, la sonda ad ultrasuoni può già essere utilizzata in questo passaggio (vedere Passo 2.3.4)
NOTA: L'esperimento può essere messo in pausa qui e le sospensioni B possono essere conservate o mescolate in un recipiente chiuso e sigillato per un periodo prolungato prima di mescolarlo con la soluzione A per ottenere la sospensione finale dell'elettrodo.
- In un altro flacone Erlenmeyer da 100 mL, mescolare insieme 1,75 g di carbonio (ad esempio, carbonio derivato da carbide dal TiC o B4C precursore), 2 g di liquido ionico (ad esempio, [EMIM][OTf]) e 10 mL di MP.
- Preparazione della sospensione finale dell'elettrodo
- Assicurarsi che il polimero nella soluzione A sia completamente disciolto inclinando leggermente il pallone per rilevare eventuali pellet polimerici disciolti (o pezzi) e che la soluzione sia in forma viscosa ma liquida. In caso contrario, mescolare a 70 gradi centigradi prima di continuare con il passo successivo.
- Versare la soluzione elettrodo A (la soluzione polimerica) nel flacone contenente la sospensione dell'elettrodo B (carbonio, liquido ionico, solvente).
- Utilizzare 10 mL extra di MP per risciacquare il materiale rimanente dalle pareti della fiaschetta A e versarlo alla sospensione finale in fiaschetta B.
- Immergere la sonda ad ultrasuoni nella sospensione finale, impostare il ciclo a 0,5 (impulsi) e omogeneizzare la sospensione sotto il cofano fuma per un'ora. Evitare il contatto tra la sonda e le pareti del vaso di vetro. In alternativa, se non è disponibile alcuna sonda ad ultrasuoni, è possibile utilizzare la miscelazione con un agitatore magnetico per diverse ore alla notte in un recipiente sigillato.
NOTA: l'esperimento può essere messo in pausa qui e la sospensione finale dell'elettrodo può essere conservata o miscelata in un recipiente chiuso e sigillato per un periodo prolungato.
- Spruzzare gli elettrodi
NOTA: Un aerografo Iwata HP TR-2 viene utilizzato qui per preparare gli elettrodi. Tuttavia, in alternativa potrebbero essere utilizzati altri tipi di pistole a spruzzo e sistemi industriali automatici a spruzzo.- Coprire le pareti del cofano fume con carta e nastro adesivo per una pulizia più facile in seguito. Non coprire l'area di sorfamento dell'aria. Mantenere il coperchio del cappuccio del fume il più basso possibile durante l'irrorazione.
- Collegare l'aerografo all'alimentazione dell'aria compressa e regolare la pressione (qui vengono utilizzati collegamenti standard e pressione di 2 barre).
NOTA: La pressione dovrebbe essere sufficiente per trasportare le sospensioni, ma non troppo alta per danneggiare la membrana. - Riempire il serbatoio dell'aerografo con acetone (o qualsiasi altro solvente compatibile) e testare prima l'irrorazione su un pezzo di carta o cartone per verificare che l'aerografo sia pulito e privo di blocchi.
- Controllare se la sospensione dell'elettrodo preparata nel passaggio 2.3 è in forma liquida inclinando il pallone. In alcuni casi, potrebbe trasformarsi in un gel se conservato per un periodo prolungato. Riscaldarlo a 70 gradi centigradi mescolando con una barra magnetica a staffa magnetica utilizzando una piastra calda a temperatura controllata per trasformarla di nuovo in un liquido. Non è necessario aggiungere più solvente.
- Versare la sospensione dell'elettrodo dal flacone Erlenmeyer nel serbatoio pulito dell'aerografo.
- Testare prima il flusso delle sospensioni su un foglio di carta. Quindi passare a coprire la membrana preparata.
- Iniziare a spostare l'aerografo prima di iniziare a spruzzare. Spruzzare ad una distanza di circa 20 cm e tenere l'aerografo perpendicolare alla membrana. Tenere l'aerografo in movimento a tratti dritti e controllati per coprire l'intera membrana.
- Si noti il numero di giri necessari per coprire un lato della membrana, o in alternativa monitorare il volume delle sospensioni aggiunto al serbatoio per garantire stessi spessori di elettrodo su entrambi i lati della membrana.
- Lasciare asciugare l'elettrodo su un lato della membrana sotto il cofano del fume. Una pistola ad aria calda può essere utilizzata per accelerare il processo di essiccazione, se necessario (vedere Passo 1.5.9).
- Applicare il secondo elettrodo sull'altro lato della membrana ripetendo i passi da 2.4.7 a 2.4.9.
- Coprire entrambi i lati della membrana più volte fino a raggiungere lo spessore composito desiderato (qui lo spessore totale finale è stato di circa 150 m). Monitorare lo spessore del composito secco utilizzando un misuratore a vite micrometrico.
NOTA: l'esperimento può essere messo in pausa qui. Il composito secco può essere conservato in un sacchetto a chiusura a cerniera per un periodo prolungato prima di attaccare i collettori a corrente d'oro nel passaggio 3.
3. Attaccare i collezionisti di corrente d'oro
- Preparazione della soluzione di colla
NOTA: Questa soluzione può essere preparata in anticipo insieme alla sospensione dell'elettrodo (e alla soluzione a membrana). Assicurarsi di riscaldare la colla prima di utilizzarla per renderla meno viscosa.- In una fiaschetta Erlenmeyer da 100 mL, mescola insieme 2 g di PVDF-HFP, 2 g di liquido ionico (ad esempio, [EMIM][OTf]), 4 mL di PC e 40 mL di MP.
- Aggiungere un agitatore magnetico, chiudere il pallone e sigillarlo con pellicola elastica di laboratorio a base di polietilene.
- Lasciare la soluzione mescolare a 70 gradi centigradi su una piastra calda a temperatura controllata fino a quando il polimero si è sciolto, in genere durante la notte.
- Attacco del collettore corrente al composito di carbonio (un lato)
- Rimuovere delicatamente il materiale dell'attuatore preparato nel passaggio 2 dal telaio.
- Ritagliare un pezzo di 4 cm x 3 cm con un righello e un bisturi. Se è stata utilizzata una membrana rinforzata in tessuto, allineare il taglio con le fibre (visibile dai bordi del materiale composito).
NOTA: La taglia suggerita è più conveniente per i lotti di piccole e medie dimensioni. Tuttavia, non è fondamentale per ottenere attuatori funzionanti. - Prendete un tubo metallico (qui d - 3 cm) e fissare il pezzo tagliato strettamente su di esso utilizzando nastro adesivo. Provare a sovrapporre solo circa 1 mm del materiale attuatore con nastro adesivo per evitare di sprecare il materiale attivo.
NOTA: Il materiale del tubo o del suo rivestimento deve resistere ai solventi utilizzati nella soluzione di colla. La composizione esatta non è fondamentale per ottenere attuatori funzionanti. I materiali che conducono bene il calore (ad esempio, i metalli) possono essere utili nell'accelerare il processo di essiccazione. Tuttavia, tubi o tubi in ceramica o polimeri ci potrebbero essere anche persi. - Utilizzando le forbici, ritagliare 4 cm x 4 cm pezzi d'oro su carta da trasferimento e posizionare uno dei pezzi su una carta velina.
NOTA: Posizionare le foglie d'oro su carta da trasferimento su una superficie più morbida è fondamentale per ottenere collettori attuali di buona qualità. - Preparare una stazione di "docking" per la pistola a spruzzo, dove può essere conservata in modo rapido e sicuro in posizione eretta. La colla inizierà ad asciugarsi non appena l'irrorazione viene interrotta e quindi è fondamentale che non ci siano ritardi nell'applicazione dei collettori con corrente d'oro.
- Mentre si lavora sotto il cofano dei fumi, spruzzare la soluzione di colla da Step 3.1.3 sul materiale dell'attuatore che è stato fissato su un tubo (Step 3.2.3).
- Rotolare il tubo sopra la foglia d'oro (Passaggio 3.2.4) mentre la colla è ancora bagnata. Non è necessaria alcuna pressione eccessiva per la laminazione.
- Rimuovere la carta di trasferimento e rotolare nuovamente sulla carta velina per assicurarsi che l'oro sia correttamente attaccato.
- Posizionare il materiale sotto una luce a infrarossi (IR) (distanza da 10 a 15 cm) o in un forno a vuoto (più alto vuoto possibile a temperatura ambiente) ad asciugare per circa 20-30 minuti.
- Se il collettore corrente non si è attaccato correttamente o ci sono alcuni difetti più grandi, ripetere i passaggi da 3.2.3 a 3.2.9 per aggiungere un secondo strato una volta che il primo strato si è asciugato per ottenere un collettore di corrente completamente privo di difetti.
- Attaccando il collettore corrente sull'altro lato del composito.
- Rimuovere delicatamente il nastro e rilasciare il materiale dal tubo.
- Pulire il tubo con acetone e carta velina per rimuovere qualsiasi colla e residui d'oro.
- Fissare nuovamente il materiale dell'attuatore sul tubo con il lato rivestito in oro rivolto verso il tubo.
- Ripetere i passaggi da 3.2.3 a 3.2.10 per collegare il collettore corrente anche sull'altro lato del materiale.
- Rimuovere con cura il composito finito dal tubo e lasciarlo post-asciugare sotto il cofano del fume per almeno 24 ore.
NOTA: Proteggere il materiale contro le particelle di polvere. Dopo l'essiccazione, il materiale può essere conservato in un sacchetto di chiusura a cerniera. Lasciando il campione asciugare sul tubo a temperature elevate invece per un periodo prolungato (da diverse ore a giorni) termoforica l'attuatore e quindi dovrebbe essere evitato a meno che non sia la termoformatura.
4. Tagliare, modellare, creare contatti e caratterizzare gli attuatori
- Taglio dell'attuatore
- Utilizzare un bisturi affilato (e un righello metallico) per tagliare l'attuatore nella forma desiderata. Tagliare sempre tutti i lati del materiale per evitare cortocircuiti causati dall'oro in eccesso sui lati dell'attuatore.
NOTA: Tagliare il materiale con le forbici non è consigliabile, poiché ciò può deformare il materiale e causare cortocircuiti sui lati del campione.
- Utilizzare un bisturi affilato (e un righello metallico) per tagliare l'attuatore nella forma desiderata. Tagliare sempre tutti i lati del materiale per evitare cortocircuiti causati dall'oro in eccesso sui lati dell'attuatore.
- Modellare l'attuatore (ad es. in una pinza)
NOTA: La forma di questo materiale composito polimerico può essere facilmente modificata da un laminato piatto a qualcosa di più avanzato per applicazioni più interessanti. A seconda della configurazione desiderata, potrebbe essere necessario allegare prima i contatti.- Prendere l'attuatore tagliato e metterlo in uno stampo (ad esempio, in una piccola fiala di vetro come mostrato nel video).
- Mettete il campione in forno per almeno 1 ora e scaldate a 60 gradi centigradi.
- Uso dell'attuatore
NOTA: Nel video, mostriamo contatti magnetici personalizzati e clip Kelvin modificate per la creazione di contatti. In entrambi i casi, le tavole d'oro 24k sono l'unico materiale a contatto diretto con l'attuatore.- Bloccare l'attuatore tra contatti elettrochimicamente non reattivi (ad es. oro).
NOTA: La pressione di contatto deve essere sufficiente per ottenere un contatto elettrico affidabile, ma non troppo alto per causare deformazioni permanenti. - Applicare la tensione del passo (o corrente) o utilizzare segnali di controllo più complicati per controllare l'attuatore. In genere, le tensioni a gradino di 2 V o meno sono state utilizzate per guidare questo tipo di attuatori. Vedere Ref24 per ulteriori informazioni sulle considerazioni sul controllo dell'attuatore.
- Registrare contemporaneamente l'attuazione utilizzando un misuratore di spostamento laser o una videocamera.
- Bloccare l'attuatore tra contatti elettrochimicamente non reattivi (ad es. oro).
- Cryo-frattura per l'imaging SEM (attuatori basati su PTFE)
NOTA: Rompere i campioni dopo averli congelati in azoto liquido è l'approccio preferito per ottenere sezioni trasversali pulite durante l'imaging SEM.
ATTIR' Non chiudere mai saldamente il tappo di un contenitore liquido di azoto. L'accumulo di pressione e il suo successivo rilascio potrebbero causare gravi lesioni. Inoltre, l'azoto liquido bolle a 196 gradi centigradi, quindi occorre anche prestare attenzione per prevenire le lesioni dovute alle basse temperature.- Versare l'azoto liquido in un contenitore termico isolante (ad esempio, una tazza di schiuma usa e getta)
- In primo luogo, mettere il campione e successivamente gli utensili metallici in azoto liquido e lasciare congelare il campione per circa 1 min.
NOTA: Si consiglia di evitare qualsiasi eventuale delaminazione dovuta alle differenze di temperatura. Tuttavia, gli utensili necessitano di tempi di raffreddamento più brevi rispetto al composito polimerico grazie a una migliore conduttività termica dei metalli. Inoltre, strumenti metallici troppo raffreddati potrebbero essere impossibili da gestire. - Afferra il campione congelato con due set di pinzette raffreddate e spezzalo.
- Crio-fratturazione per l'imaging SEM (attuatori rinforzati con tessuti).
NOTA: gli attuatori rinforzati in tessuto (specialmente se viene utilizzata la fibra di vetro) potrebbero non rompersi nemmeno nello stato congelato. Le sezioni trasversali pulite possono essere ottenute tagliando con una lama raffreddata.- Congelare l'attuatore e un bisturi in azoto liquido (vedere la nota nel passo 4.4.2).
- Posizionare il campione congelato su una superficie di taglio antiaderente (ad esempio, un blocco di PTFE) e tritare il materiale dell'attuatore utilizzando il bisturi raffreddato.
Representative Results
Il punto finale principale per distinguere tra un esperimento riuscito e un esperimento fallito è la risposta del materiale ai segnali elettrici dopo essere stato contattato a un alimentatore. Nell'ingegneria elettrica, il rame è un materiale ben noto per la creazione di contatti. Tuttavia, il rame è anche elettrochimicamente attivo e quindi non adatto per il contatto con un sistema ionico introdotto qui. L'uso di contatti in rame potrebbe causare cortocircuiti a causa della formazione di dendriti attraverso il composito. Inoltre, in caso di caratterizzazione del materiale, è impossibile distinguere tra correnti (e azionamento) derivanti dal materiale elettroattivo e che derivano dall'attività elettrochimica del rame29. In precedenza abbiamo dimostrato che l'azionamento – anche se inaffidabile – senza alcun materiale attivo aggiunto (cioè senza elettrodi polimerici a base di carbonio o conduttivi) è possibile nel caso di membrane iomomeriche umide (ad esempio, Nafion) e solo terminali di rame29. Pertanto, tutti gli esperimenti con il materiale attivo qui sono stati eseguiti utilizzando solo contatti in oro inerte.
La spettroscopia elettrochimica di impedimento (EIS) è un metodo non distruttivo per la caratterizzazione e la risoluzione dei problemi del materiale attuatore capacitivo prima dell'uso. Gli spettri impediti in Figura 4C e 4D sono stati catturati utilizzando un potentiostat/galvanostat/FRA in configurazione a due elettrodi. Il campione (20 mm x 4 mm x 150 m) è stato posizionato tra i contatti dorati, l'ampiezza del segnale di ingresso durante la misurazione dell'impedimento è stata impostata su 5 mVRMS e sono state scansionate le frequenze da 200 kHz a 0,01 Hz. La figura 4C e il 4D mostrano i tipici spettri impediti dagli attuatori con un'altezza di 300 cm2)o con una resistenza interna bassa (5 cm2),rispettivamente. Gli spettri sono stati registrati utilizzando un campione con la membrana secca PTFE e un altro campione con la membrana imbevuta, rispettivamente. Una maggiore conduttività ionica attraverso il materiale tende a corrispondere ad attuatori più veloci e possibilmente anche più spostamento alla stessa frequenza di azionamento (vedi Figura 4B),se tutti gli altri parametri (ad esempio, parametri meccanici) sono mantenuti invariati e il materiale in generale è attivo.
La natura non distruttiva dell'EIS è particolarmente vantaggiosa per il rilevamento di cortocircuiti nel composito. In caso di attuatori preparati secondo l'attuale protocollo, i cortocircuiti sono più spesso causati da detriti di raccolta correnti sui lati dell'attuatore (vedi le istruzioni di taglio nel passo 4.1.1) o più raramente da una membrana difettosa (ad esempio, quando non coprono tutte le forane nella membrana rinforzata dal tessuto come indicato nella Sezione 1.5). Un resistore (in questo caso un cortocircuito) sarebbe stato presentato come un punto sulla trama nyquist di un esperimento EIS. Osservare tale risposta è un certo indicatore di un campione difettoso (vedi Figure 4C e 4D per gli spettri di riferimento degli attuatori capacitivi funzionali). I campioni in cortocircuito in genere non vengono azionati. Inoltre, questi sarebbero spesso resi permanentemente inutili a causa del riscaldamento resistivo e della conseguente fusione del composito quando si cerca di azionare.
Nella sua forma funzionale, questo materiale è un condensatore a doppio strato che mostra il movimento di piegatura in risposta alla ricarica e allo scarico del doppio strato grazie a elettroliti specificamente su misura utilizzati nella sua fabbricazione. La voltammemetria ciclica (CV) è una tecnica ampiamente utilizzata in elettrochimica per studiare diversi sistemi. Durante un esperimento CV, il potenziale dell'elettrodo funzionante (in questo caso uno degli elettrodi dell'attuatore) è variato rispetto a un controelettrodo (qui l'altro elettrodo dell'attuatore) con velocità costante (ad esempio, 800 mV/s tra i 2 V) e la risposta attuale dal sistema viene registrata utilizzando un potentiostat. Una tipica risposta attuale dal laminato capacitivo è presentata nella Figura 4E. La risposta attuale del campione con la membrana PTFE imbevuta (in grigio scuro in 4E) assomiglia a quella di un condensatore ideale: la corrente non dipende dal potenziale dell'elettrodo e dall'inversione del potenziale, la direzione corrente (e quindi il suo segno) viene modificata (quasi) immediatamente, risultando in un (quasi) voltagramma rettangolare. La risposta attuale del campione con una membrana inizialmente secca (in rosa in 4E) mostra un comportamento del condensatore meno ideale a questa velocità di scansione, probabilmente a causa dell'elevata resistenza interna del materiale (come dimostra anche l'EIS nella Figura 4C). Tuttavia, entrambi i campioni mostrano la natura capacitiva del composito. D'altra parte, linee grigio chiaro in Figura 4E mostrano possibile comportamento da campioni difettosi (ad esempio, quelli cortocircuito) che avrebbero seguito da vicino la legge di Ohm.
Le prestazioni dei diversi attuatori funzionali sono presentate in Figura 4A e Figura 4B. Nella figura 4A sono illustrate le istantanee del video in cui un attuatore termoformato a 5 dita tiene, tiene premuto e rilascia un oggetto a forma casuale in risposta ai passaggi di tensione. Le geometrie più semplici vengono in genere utilizzate per la caratterizzazione del materiale. Ad esempio, la figura 4B evidenzia l'angolo di piegatura massimo28degliattuatori a membrana PTFE secchi e bagnati,30 in risposta ai segnali di tensione triangolare tra i 2 V. Al fine di caratterizzare diversi materiali attuatori, i campioni (4 mm x 20 mm x 150 m) sono stati collocati tra i morsetti d'oro nella posizione a sbalzo (lasciando 18 mm di lunghezza libera per l'azionamento) e l'angolo di piegatura è stato registrato utilizzando una videocamera. In alternativa, il movimento di un singolo punto lungo l'attuatore (ad esempio, 5 mm dai contatti) è stato in genere monitorato nel tempo e utilizzato nei calcoli della differenza di deformazione31,32. L'elaborazione video, anche se più complessa, fornisce ulteriori informazioni sull'intero profilo di piegatura del campione e consente anche di analizzare nuovamente le prestazioni in un secondo momento, se tale esigenza dovesse sorgere. Il punto 0,1 Hz in Figura 4B corrisponde esattamente allo stesso segnale utilizzato negli esperimenti di voltammetria ciclica della figura 4E, sia in termini di tensione di attuazione che di frequenza di attuazione. L'uso dello stesso segnale di caratterizzazione e di azionamento ci permette, ad esempio, di trarre conclusioni sulla natura capacitiva del materiale e sulla stabilità e la mancanza di reazioni elettrochimiche durante l'attivazione.
I metodi elettrochimici (EIS, CV), la visualizzazione della struttura dell'attuatore nel livello (tipicamente) del micrometro (SEM) e la caratterizzazione dello spostamento sono i metodi più comuni per caratterizzare gli attuatori ionici e valutare il successo del processo di fabbricazione. Tuttavia, gli esperimenti personalizzati per valutare le prestazioni dell'attuatore in un'applicazione più specifica vengono spesso sviluppati per valutare le prestazioni specifiche dell'applicazione (ad esempio, la capacità di eseguire un carico).
Figura 3: Imaging. Micrografie di elettroni a scansione che mostrano la membrana PTFE altamente porosa (A) e una sezione trasversale di un attuatore realizzato utilizzando la stessa membrana che non mostra alcuna delaminazione (C). Micrografo SEM che mostra una sezione trasversale di un attuatore rinforzato con tessuti (D) e una fotografia ottica del corrispondente rinforzo di seta (B). I campioni per le sezioni trasversali SEM sono stati prima crio-fratturati con azoto liquido, montati su un supporto campione di metallo e poi sputati con 5 nm di oro per una migliore definizione utilizzando un rivestimento sputter. Un microscopio elettronico a scansione da tavolo è stato utilizzato per l'imaging a 15 keV velocità di accelerazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Risultati rappresentativi dell'attuatore. (A) Passi di tensione e immagini corrispondenti della pinza a cinque bracci che afferrano in modo conforme un oggetto con forma casuale (attuatore senza contatti 21 mg; carico di schiuma di polistirolo 17,8 mg); (B) angolo di piegatura totale di 4 mm x 20 mm x 150 m attuatori basati su PTFE bloccati tra contatti d'oro (lunghezza libera 18 mm) in risposta a un segnale di azionamento triangolare (2 V) a diverse frequenze di azionamento (n. 3, le barre di errore rappresentano una deviazione standard della media); (C e D) tipici spettri elettrochimici di impedimento dei laminati capacitivi elettromeccanici (5 mV di ampiezza del segnaleRMS); (E) tipica voltammetria ciclica dei laminati capacitivi (segnale di attuazione triangolare utilizzando una velocità di scansione di 800 mV/s che corrisponde a0,1 punti in B). Le linee grigie sui voltammomici ciclici sono per il confronto e mostrano la risposta di un potenziale attuatore difettoso (essenzialmente un resistore) che seguirebbe da vicino la legge di Ohm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Asciugaturaa rotazione durante la preparazione della membrana . (A) schematici dell'immagine di impostazione (B) dell'impostazione con una cornice con rinforzo collegato. Durante l'essiccazione dello spin, la forza centrifuga dirige il solvente residuo nello strato di membrana verso il bordo del telaio. Questo può essere utile per accelerare il processo di essiccazione. Tuttavia, in caso di membrane completamente umide, ciò potrebbe comportare la perdita di materiale attivo (polimero e liquido ionico) e dovrebbe quindi essere evitato. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Discussion
Abbiamo presentato un metodo di fabbricazione semplice, veloce, ripetibile e versatile per la preparazione composita elettromeccanicamente attiva per varie applicazioni attuatori, e con piccole modifiche anche per lo stoccaggio dell'energia, la raccolta33 o il rilevamentodi 34 applicazioni. Il metodo attuale si concentra sulle membrane con un componente passivo integrale e chimicamente inerte (ad esempio, una rete polimerica rinforzata con tessuti o una membrana di Teflon altamente porosa, vedi anche Figura 3) perché tali membrane semplificano significativamente il processo di preparazione dell'attuatore anche su larga scala. Inoltre, le membrane risultanti hanno un minor rischio di gonfiore e deformazione a causa di solventi (o elettroliti) nella sospensione dell'elettrodo o di formazione di hotspot a corto circuito rispetto a molti altri metodi e materiali di fabbricazione attuatore comuni.
I passaggi critici nella preparazione del laminato per attuatori capacitivi sono la preparazione della membrana, la fabbricazione degli elettrodi, l'attacco del collettore corrente, il taglio e il contatto (Figura 2). Ognuno di questi passaggi lascia spazio per la personalizzazione e l'ottimizzazione delle prestazioni, ma anche per gli errori. Nella sezione seguente discuteremo in dettaglio le modifiche vantaggiose e le strategie di risoluzione dei problemi di questo metodo di fabbricazione. Un composito ad alte prestazioni risulta dall'interazione di diversi aspetti chiave che devono essere tenuti a mente: sufficiente conduttività elettronica lungo l'elettrodo (aggiungere collettore a corrente d'oro agli elettrodi di carbonio); conduttività ionica sufficiente attraverso la membrana (utilizzare una sottile membrana porosa e una quantità sufficiente di elettrolita a bassa viscosità, ridurre il rischio di interazioni sfavorevoli tra la membrana e l'elettrolita utilizzando una rete polimerica inerte); superficie elevata dell'elettrodo (selezionare un tipo di carbonio adatto); elettroliti su misura che si traducono in gonfiore/contrazione asimmetrica degli elettrodi (selezionare un elettrolita adatto); parametri meccanici (Giovani dei componenti). Questi aspetti principali di un attuatore a base di carbonio ad alte prestazioni sono evidenziati anche nella Figura 1B.
Una membrana ad alte prestazioni è la parte centrale di questo composito. Ha due compiti: prevenire la conduttività degli elettroni (cortocircuiti) tra gli elettrodi consentendo un'elevata conduttività ionica. Le modifiche alla membrana potrebbero servire a diversi scopi, ad esempio l'integrazione degli utensili introdotta da Must et al.24 o l'aggiunta di nuove proprietà (ad esempio, biocompatibilità, biodegradabilità o diverse proprietà meccaniche). L'attuale metodo di fabbricazione potrebbe essere modificato per utilizzare altri polimeri ed elettroliti nella membrana per introdurre nuove proprietà al laminato attivo. Come la strategia di selezione dei solventi introdotta qui per gli attuatori rinforzati in tessuto, è consigliabile selezionare i solventi più poveri per la successiva fabbricazione di elettrodi rispetto alla preparazione della membrana. Questo assicura che la membrana rimanga funzionale e intatta anche dopo l'aggiunta di elettrodi.
Le prestazioni di azionamento del composito finale sono influenzate dal materiale elettrodo selezionato (carbonio), dall'elettrolita e possibilmente dalla loro compatibilità tra loro. Questo protocollo introduce la fabbricazione di laminati capacitivi a base di carbonio utilizzando carbonio derivato dal boro e 1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulne ([EMIM][OTf]) liquido ionico. Tuttavia, lo stesso protocollo è adattabile ad altri materiali carbonio ad alta superficie specifica, come carbonio derivato da carbide provenienti da altre fonti (ad esempio, TiC35, SiC o Mo2C36),nanotubi di carbonio8,37, aerogel di carbonio38 o grafene39,e altri, come anche esaminato di recente40. Inoltre, anche altri elettroliti potrebbero essere utilizzati nella preparazione dell'attuatore. Ottenere un composito funzionale non è limitato ai tipi di carbonio e liquidi ionici presentati in questo protocollo. La dimensione delle particelle di carbonio, la loro possibile agglomerazione nella sospensione dell'elettrodo e la viscosità delle sospensioni sono parametri più cruciali per il processo di rivestimento a spruzzo.
Questo metodo consente la produzione di materiale laminato elettromeccanicamente attivo con proprietà riproducibili in grandi quantità. La miniaturizzazione degli attuatori realizzati con questo materiale viene effettuata principalmente utilizzando il taglio ad alta precisione (ad esempio, Figura 3C). Metodi alternativi per la preparazione di strutture fini, come la mascheratura, e la modellazione sono possibili durante il rivestimento a spruzzo41. Inoltre, le strutture in scala millimetriche possono anche essere modellate nel successivo passo di attacco della corrente d'oro. Tuttavia, in scala sub-millimetria questo potrebbe diventare abbastanza difficile. Altri tipi di attuatori o attuatori a base di carbonio senza collettori a corrente d'oro potrebbero essere più facili da preparare, se le caratteristiche modellabili devono essere in scala micrometrica.
Gli attuatori intrinsecamente morbidi che rispondono agli stimoli elettrici hanno molti vantaggi grazie alla loro natura morbida e conforme, al funzionamento silenzioso e ai bassi livelli di tensione richiesti. Il protocollo attuale mostra come produrre tale materiale in grandi quantità e con elevata ripetibilità batch-to-batch e all'interno del lotto senza compromettere le prestazioni di attuazione. Le modifiche al metodo attuale per incorporare componenti più bio-compatibili e possibilmente anche biodegradabili che consentirebbero la chiusura operativa di organismi viventi oltre a approcci di incapsulamento totale di successo, e l'integrazione del materiale attivo introdotto in dispositivi robotici o biomedici morbidi sono previsti per il futuro.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Gli autori desiderano ringraziare Ron Hovenkamp e Marcel Mulder di Philips Research per le discussioni utili. Questo lavoro è stato parzialmente sostenuto dal finanziamento istituzionale della ricerca IUT (IUT 20-24) del Ministero estone dell'Istruzione e della Ricerca, dell'onnippoli di ricerca estone (PUT1696), del Fondo europeo di sviluppo regionale, del programma Mobilitas Pluss (Grant No MOBTP47), del programma di ricerca e innovazione Orizzonte 2020 dell'Unione europea nell'ambito dell'accordo di sovvenzione Marie Skoodowska-Curie n. 793377 (BIOACT), e del progetto IMPACT-MII , un progetto di innovazione Sanitaria dell'EIT. EIT Health è sostenuta dall'EIT, un organismo dell'Unione europea.
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
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