Summary
本稿では、バイオメディカル、バイオミメティック、ソフトロボティクスアプリケーションにおけるアクチュエータ用のイオン電気的に活性な複合材料の迅速かつ簡単な製造プロセスについて説明します。主要な製造手順、アクチュエータの最終的な特性に対する重要性、および主な特性評価手法の一部を詳細に説明します。
Abstract
イオン電気的に活発な容量性積層体は電気刺激に応答して動くスマート材料の一種である。この変形のソフト、準拠、バイオミメティックな性質により、ラミネート製のアクチュエータはソフトロボティクスや(バイオ)医療アプリケーションへの関心を高めています。しかし、大量の(工業的な)量で、バッチ間およびバッチ内の反復性を持つ大量の活性物質を容易に製造する方法は、実験室から業界に知識を転送するために必要とされる。このプロトコルは、イオン性炭素ベースの電気機械的活性容量積層体の製造およびそれに用いるアクチュエータの製造のための、簡便で、工業的にスケーラブルで再現可能な方法を記述する。受動性および化学的に不活性な(不溶性)中間層(例えば、繊維強化ポリマーネットワークまたは微孔性テフロン)を含めることは、他の方法と区別する。このプロトコルは、膜調製、電極準備、集電体取り付け、切断および成形、および作動の5つのステップに分けられます。プロトコルに従うと、例えば、記事で示されているように、ランダムな形状のオブジェクトを準拠に把握して保持できるアクティブな材料が得られます。
Introduction
イオン電気機械活性ポリマーまたはポリマー複合材料は、異なるソフトロボティクスおよびバイオミメティックアプリケーション(例えば、アクチュエーター、グリッパー、またはバイオインスピレーションロボット11、2)2への関心を高めている本質的に柔らかく、準拠した材料である。このタイプの材料は、数ボルトの範囲の電気信号に応答し、従来のエレクトロニクスや電源3と容易に統合することができます。イオンアクチュエータ基材の多くの異なるタイプは、他の4の詳細に記載されているように、利用可能である4、そして再びごく最近5。また、最近特に、ソフトロボットデバイスの開発は、関連する活物質やコンポーネントの高度な製造プロセスの開発に非常に密接に関連することが特に強調されている6.さらに、実験室から産業に移行する可能性を有する再現可能なアクチュエータの調製における効率的かつ確立されたプロセスフローの重要性は、これまでの方法ベースの研究7でも強調されている。
過去数十年にわたり、アクチュエータの製造方法(例えば、層ごとの13鋳造8とホットプレス9、10、10含浸低減911、塗装11、塗装11、またはスパッタリングとその後の電気化学合成12,14、15、,15インクジェット印刷16、スピンコーティング17)の製造方法が開発または適応されています。いくつかの方法はより普遍的であり、いくつかは他のものよりも材料選択の面で制限されています。しかし、現在の方法の多くは、かなり複雑で、実験室規模の製作に適しています。現在のプロトコルは、バッチ間の変動性が低く、バッチ内の変動性と長いアクチュエータ寿命18で活性ラミネートを生成する高速、繰り返し可能、信頼性の高い、自動マチュラブルでスケーラブルなアクチュエータ製造方法に焦点を当てています。この方法は、材料科学者が次世代のバイオインスピレーションアプリケーション用の高性能アクチュエータを開発するために使用することができます。さらに、この方法を変更せずに行うと、ソフトロボティクスのエンジニアや教師は、新しいデバイスの開発とプロトタイピング、またはソフトロボットの概念を教えるための積極的な材料を与えます。
イオン電気的に作用型の活性ポリマーまたはポリマーアクチュエータは、典型的には、数ボルトの範囲で電気刺激に応答して2層または3層層の層積層複合体から成り、曲がる(図1)。この曲がり運動は、電極層の膨張および収縮効果によって引き起こされ、通常、電極上のファラダ(レドックス)反応(例えば、導電性ポリマーのような電気力学的に活性なポリマー(EAP)の場合)または二重層の容量性帯電(例えば、炭素系ポリマー電極において、ポリマーが結合する可能性がある)のいずれかによってもたらされる。このプロトコル (図 2)では、後者に焦点を当てます。我々は、電極間のカチオンと陰イオンの移動を容易にする不活性イオン伝導性膜によって分離された2つの高比表面積電子伝導性炭素ベースの電極からなる電気機械的に活性な複合材料の製造を示す- スーパーキャパシタと非常によく似た構成。このタイプのアクチュエータは、容量性の充放電/放電に応じて曲がり、電極の膨張/収縮は、典型的には電解質88、10、1910,のカチオンおよび陰イオンの体積および移動度の違いに起因する。19界面機能化炭素が電解液の電気化学的安定性ポテンシャル窓の外で使用される活性材料または容量性複合材料として使用されない限り、このタイプの電極20ではファラダ反応は起こりがちである。ファラダ反応の欠如は、このアクチュエータ材料の有益に長い寿命の主な貢献者である(すなわち、空気中の数千サイクル88、1818異なる容量性アクチュエータのために示されている)。
図1:中性(A)およびアクチュエーション状態(B)における炭素系アクチュエータの構造。(B) は、イオンアクチュエータの性能を決定する主な特性も強調します。注: 図はスケールに描画されません。イオンサイズは、電解質(例えばイオン液体)の陰イオンとカチオンの両方の移動性を可能にする不活性膜の場合に最も一般的に引用される作動機構を例示するために誇張されている。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
製造プロセス全体を通して無傷のままの機能膜を得ることは、アクチュエータ調製の成功の重要なステップの1つです。アクチュエータ用の高性能膜は可能な限り薄く、電子伝導性を遮断しながら電極間のイオン伝導性を可能にします。膜内のイオン伝導性は、電解質と不活性多孔質ネットワーク(例えば、このプロトコルで使用されるアプローチ)を組み合わせたこと、または電解質との相互作用を可能にする共有結合イオン化ユニットまたは他のグループを有する特定のポリマーの使用によって生じる。前者のアプローチは、そのシンプルさのためにここで好まれるが、電解質とポリマーネットワークの間の特異的に調整された相互作用も利点を有することができるが、好ましくない相互作用(例えば、相互作用によるイオン移動の遮断または減速)を排除することができる場合もある。電気機械式活性アクチュエータ用の電化膜または活性膜の膨大な選択とその結果として生じる作動機構が最近21に見直された。膜選択は、電極選択に加えて、アクチュエータの性能、寿命および作動機構において重要な役割を果たす。現在のプロトコルは、主にイオン移行のための多孔質構造を提供する不活性膜(図1に示すように)に焦点を当てていますが、プロトコルの一部(例えば、膜オプションC)は活性膜にとっても有益であることが証明される可能性があります。
膜材料選択に加えて、その製造方法は、複合材料の機能的な分離器を得る上で重要な役割を果たす。以前に使用された鋳造膜は、後のホットプレスステップ中に溶融する傾向があり、したがって短絡ホットスポット22を形成する可能性があります。また、市販の電和膜(例えば、ナフィオン)は、後の製造工程12で使用される溶媒に反応して膨潤し、バックルする傾向があり、いくつかのポリマー(例えば、セルロース23)はある程度イオン液体に溶解することが知られており、織物の繰り返し性に問題を引き起こし、電極の均一性が低下する可能性がある。したがって、このプロトコルは、膜内に一体の受動的で化学的に不活性な成分(例えば、PVDFまたはPTFEを有するガラス繊維またはシルク)を有するアクチュエータに焦点を当て、後の製造ステップでの膨潤および座屈から、または短絡ホットスポットを形成することから複合体を停止する。さらに、不活性成分と受動部品の添加により、製造工程が大幅に簡素化され、従来の方法に比べて大きなバッチサイズが可能になります。
膜に受動的な補強を含めることはKaasikらによって最初に導入された。アクチュエータ製造工程において上記の問題に取り組む18。織物繊維補強(図3Bおよび3Dも参照)を含めることにより、アクティブコンポジット24にツールを統合したり、スマートテキスタイル18を開発したりする機能がさらに導入されます。したがって、プロトコルにおける膜オプションCは、そのような用途に適している。しかし、微細化アクチュエータ(サブミリメートルレベル)の場合、膜内の受動対能成分比はますます不利になり、順序付けられた繊維補強を含めることがアクチュエータの性能とサンプル対サンプルの再現性に悪影響を及ぼし始める可能性があります。さらに、補強の方向(曲げ方向に沿ったり斜めに)は、より複雑な形のアクチュエータの性能に予期せず影響を与える可能性があります。したがって、順序が少なく、多孔質の不活性構造は、小型アクチュエータや複雑なアクチュエータ形状に対してより有益であろう。
ポリテトラフルオロエチレン(PTFE、また、商品名テフロンで知っている)は、これまで知っている最も不活性なポリマーの一つです。それは典型的には疎水性が高いが、アクチュエータ製造でより容易に使用できる親水性をレンダリングされる表面処理されたバージョンが存在する。図3Aは、アクチュエータ調製のためにこのプロトコルで使用された不活性親水性PTFE濾過膜のランダム構造を示す。小型化アクチュエータや複雑な形状を切り取るのに有益なあらゆる方向にこの材料の均一性に加えて、制御された気孔率を有する商業濾過膜を使用すると、あらゆる膜調製の必要性をほとんど排除することによってアクチュエータ製造プロセスをさらに簡素化する。さらに、30μmの低い膜厚は、前述の繊維強化構成では得ることが極めて困難である。したがって、このプロトコルからPTFEベースのアクチュエータ製造方法(オプションAおよびB)が好ましい場合がほとんどですが、オプションAが高速であることをさらに考慮すると、オプションBを使用して作られたアクチュエータはより大きな株を示す(図4Bに示す周波数範囲)。代表結果部に導入されたソフトグリッパーは、最初に電解質に浸したPTFE膜を用いても調製した。
機能膜を調製した後、プロトコルは電極調製および集電体付着を継続する。カーボンベースの電極は、スプレーコーティングを使用して追加されます - 結果として得られた電極層の厚さを高く制御することを可能にする工業的に確立された手順。より均一な電極は、例えば、フィルム乾燥25の間に炭素粒子の沈沈が起こることが知られている鋳造法(またはおそらく他の液体法)に比べてスプレーコーティングで製造される。さらに、提示された製造方法のさらなる特徴は、繊維強化膜の場合に最も重要である溶媒選択戦略に依存している。より正確には、4-メチル-2-ペンタニ(電極懸濁液および接着剤溶液中の溶媒)は、繊維強化膜の膜溶液に使用される不活性膜補強材またはPVDFを溶解しない。したがって、スプレーコーティング中にコンポジットに短絡ホットスポットを発生させるリスクはさらに低減されます。
容量性積層体は、炭素電極の適用後に既に活性を示しています。しかし、金集電体の適用により、桁違いの速いアクチュエータ26が得られる。プロトコルにおける更なる重要なステップは、対応する電極が伸長状態にある間の集電体の取り付けである(すなわち、複合体が曲がっている)。したがって、アクチュエータの中立平坦な状態では、金箔はサブミリ波レベルでバックルされます。この緩衝型座屈27のアプローチは、それ以外の場合は微細(〜100nm)の金属シートに対して可能であるよりも、壊れることなく高い変形を可能にする。
すべてのアクチュエータ製造工程(膜調製、電極噴霧、集電体付着)も図2にまとめた。性能特性評価のデモンストレーションのために、ランダムな表面テクスチャを持つランダムな形状の物体を、準拠してつかみ、保持し、解放するグリッパーを用意しました。1:4以上のアスペクト比(例えば、4mm〜20mm、または1mm~20mm28)の矩形サンプルのような単純な形状は、材料特性や曲げ型の挙動を利用したその他の用途にも非常に典型的です。
この記事は、より単純な矩形アクチュエータジオメトリを使用した、典型的なイオン電機械活性容量性材料の特性評価とトラブルシューティング技術の簡単な紹介で終わります。環状ボルタンメトリー(CV)や電気化学インピーダンス分光法(EIS)などの一般的な電気化学的特性解析技術を用いて、アクチュエータ材料の特性評価とトラブルシューティングを詳細に行う方法を紹介します。サブミリ波レベルでの複合材料の可視化は、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて行われ、これを用いて、このサンプルを調製するクライオ破砕技術を用いる。材料のポリマー性は規則的な切断だけで明確な断面を得ることを困難にする。ただし、凍結したサンプルを壊した場合、断面が明確に定義されます。
図2:製造プロセスの概要最も重要なステップが強調表示されます。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Protocol
注意: このプロトコルで使用される多くの化学物質およびコンポーネントは危険です、実験を開始する前に関連する安全データシート(SDS)に相談してください。実験中に揮発性溶剤を取り扱う際(例えば、溶液の調製中、強化膜の作成、電極のスプレーコーティング、集電体の取り付けなど)には、ヒュームフードと個人用保護具(手袋、眼鏡、ラボコート)をご使用ください。常に手袋を着用して、最終的なコンポジットとの直接皮膚接触を防ぎます(カプセル化された28でない限り)。
1. セパレータ膜の作成
- 刺しゅうフレームなどのフレームを取ります。
メモ:我々は、希望のバッチサイズに応じて7.5 cmから25 cmまでの標準フレームサイズを使用しています。最も重要なことは、フレームは、レシピで使用される溶媒および他の材料に耐えることができる材料で作られるべきです。例えば、ポリプロピレン刺繍フレームは、このプロトコルで使用されます。ただし、不明な場合は、フレーム上で溶剤試験を行うことをお勧めします。 - 計画アプリケーションに最適な膜構成を見つけるには、オプションAからC (上記で説明し、図 2で示す) を選択します。機能アクチュエータ材料を調製するために必要な3つの膜のうち1つだけ。
- オプション A:イオン伝導性分離器の調製に高孔性の商業濾過膜を使用する
- 高空隙性ろ過膜(厚さ30μm、80%多孔性PTFE膜フィルターなど)を取ります。標準フィルターがフレームに対して大きすぎる場合は、はさみを使用して形にカットします。汚染を避けるために、転写シート間の膜を切断します。
- フレーム上の乾燥濾過膜を留めて張ります。
注:一部のろ過膜は乾燥状態でかなり壊れやすい場合があります。乾燥した膜を非常に慎重に締め、引き裂きを避けてください。 - ステップ 2 に進み、電気機械式活性複合製剤を続けます。
- オプション B:イオン伝導性分離器の調製に電解質含浸された市販の濾過膜を用いる
- 高空隙性ろ過膜(厚さ30μm、80%多孔性PTFE膜フィルターなど)を取ります。標準フィルターがフレームに対して大きすぎる場合は、はさみを使用して形にカットします。汚染を避けるために、転写シート間の膜を切断します。
- 分析バランスを使用して乾膜質量を記録し、後で電解質の取り込み量を計算します。この手順は、バッチからバッチへの繰り返し性の監視にのみ必要であり、それ以外の場合はスキップできます。
- 乾燥した膜をペトリ皿に入れ、ピペットを使用して過剰なイオン液体を加えます(例えば、1-エチル-3-メチルイチミダゾリウムトリフルオロロメタンスルホン酸塩([EMIM][OTf]))。
注意:手袋を使用して皮膚との接触を防ぎます。 - ペトリディスクを少し傾けて、膜全体がイオン液体で覆われていることを確認するか、ピペットを使用して膜がまだ乾燥している領域にイオン液体を移動させます。
- 膜をイオン液体に浸漬させて、最大の電解質取り込みを達成します。
- 膜が十分に浸漬されたら(約1分後にビデオで)、余分なイオン液体のほとんどをピペットオフします。
- ピンセットを使用して、慎重に膜をフィルターペーパーの間に置き、膜に吸収されていないイオン液体の残りの部分を除去します。最終的な膜は半透明であるが、濡れていない必要があります。
- 分析バランスを使用してステップ1.4.7から浸漬および乾燥した膜の質量を記録する。この手順は、バッチからバッチへの繰り返し性の監視にのみ必要であり、それ以外の場合はスキップできます。
注:高い多孔性PTFE膜および比較的低粘度イオン性液体(例えば[EMIM][OTf])の場合、イオン液体の最大取り込みはほぼ即座に達成されます。異なるイオン液体と異なる(あまり多孔性の)市販ポリマー膜を使用すると、より長い浸漬時間が生じる可能性があります。そのような必要性は、ステップ1.4.1から1.4.8を繰り返すことによって決定することができる。一定の膜質量が得られるまで。しかし、電解質が粘性過多すぎたり、膜が十分に多孔性でない場合、アクチュエータの性能はあまり高くないかもしれません。 - しわや折り目を避けるために、フレーム上に浸して乾燥した膜を留めて張ります。
- オプション C:カスタムポリマー(すなわち、市販(ろ過)膜として利用できないポリマー)、カスタム膜厚さ、粘度の高いイオン液体、またはアクチュエータにツールを組み込む場合に役立つイオン伝導性の繊維強化膜を作ります。ここでは、工具やチューブなどを含むように変更できる繊維強化膜製造の基本的な手順を示します(24詳細については、 を参照してください)。
- 100 mL のエルレンマイヤーフラスコに、2 gのポリビニリデンフッ化物 (PVDF)、2 gのイオン液体 (例えば、[EMIM][OTf]])、4 mLのプロピレンカーボネート (PC) および 18 mL の N,N-ジメチルアセトアミド (DAC) を混ぜ合わせます。
注意:DMAcとPCは有毒で健康上の危険があり、皮膚や目を刺激する可能性があります。注意してハンドル、ヒュームフードと個人的な保護具を使用してください。 - 磁気スターラーバーを追加し、ストッパーでフラスコを閉じます。
- 溶媒の蒸発を防ぐために、ポリエチレンベースの実験室用ストレッチフィルムでフラスコを密封します。
注:70°Cで撹拌に耐えることができるストレッチフィルムを使用してください(例えば、Parafilmの融点はわずか60°Cであるため、Parafilmはこのアプリケーションには適していません)。 - 磁気スターラーと温度制御ホットプレートを使用して、70°Cで溶液を一晩かき混ぜます。攪拌速度を中型に設定します。過度に高い攪拌速度は、溶液にあまりにも多くの空気を導入する可能性がありますが、攪拌が遅すぎると、準備時間が大幅に長くなる可能性があります。
注: 実験はここで一時停止し、後で実行することができます。調製された溶液は、長期間にわたって密閉容器に保管することができる。再び使用を開始する前に、保存された溶液を再加熱して混合します(通常、70°Cで1時間混合するだけで十分です)。 - はさみを使って布(絹やガラス繊維布など)を切り取ります。
注:絹やガラス繊維などの不活性繊維組成物を含む繊維は、膜溶液からの溶媒が溶解しないため、最も優れた働きがあります。ただし、任意の生地を使用する前に溶剤試験を行うことをお勧めします。これらの織物は、最終的な複合材料の作動に最も影響を与えるため、軽量ファブリックが好ましい。ビデオでは、織り絹織物(11.5 g/m2)を使用しています。 - フレームに生地を締めて張ります。
- はさみを使用して余分な生地をトリミングし、慎重に手で任意の緩い繊維を削除します。
- ヒュームフードの下で作業しながら、ペイントブラシを使用して膜溶液の薄い層で生地をカバーします。
- レイヤーを完全に乾燥させます。低速で単独で、そして後で専用のセットアップ(詳細は図5を参照)で、溶媒蒸発プロセスをスピードアップするために使用することができます。
注: 比較的湿った膜に専用の設定でスピン速度が高すぎると、膜層に変形が生じ、膜材料が失われる可能性があります。 - レイヤーが乾燥した後、ピンホールのバックライトに対してコンポジットを検査します。顕微鏡もこの目的のために使用することができる。
- 膜にピンホールがある場合は、ステップ1.5.8を繰り返して別のコーティング層を適用します。および 1.5.9.
- 膜溶液を塗布する際に繊維の側面を交互に行い、補強(すなわち中性面)が膜の真ん中に残っていることを確認します(図3DのSEM画像を参照して、膜層の中央に配置された繊維を示しています)。
注: ポリマー溶液中の溶媒は、以前に適用された層をゆっくりと溶解します。したがって、既に適用されている膜への損傷を防ぐために、その後の膜層を細心の注意を払って追加します。できるだけ薄い層を適用し、すでに濡れた表面を2回上に行くことはありません。 - 欠陥のない膜が得られたら、マイクロメータのスクリューゲージを使用して最終厚さを確認します。通常、少なくとも3つの層を適用する必要があり、その結果、約50μmの膜が得られます。
- 完成した膜を少なくとも24時間煙のフードの下で乾燥させます。
注: 実験はここで一時停止し、電極を噴霧して後で行うことができます。しかし、乾燥時に調製した膜を塵粒子に対して遮蔽することが推奨される。
- 100 mL のエルレンマイヤーフラスコに、2 gのポリビニリデンフッ化物 (PVDF)、2 gのイオン液体 (例えば、[EMIM][OTf]])、4 mLのプロピレンカーボネート (PC) および 18 mL の N,N-ジメチルアセトアミド (DAC) を混ぜ合わせます。
2. 電極の作成
注:電極懸濁液は、電極溶液A(ポリマー溶液)と電極懸濁液B(炭素粉末と電解質を含む)で構成され、別々に調製し、次いで混合して最終的な懸濁液を得る。電極懸濁液に選択された溶媒は、繊維強化膜構成に使用される不活性膜補強材またはPVDFを溶解しない。したがって、電極の添加時に既に得られた膜を損傷するリスクは最小限に抑えられる。
- 電極溶液Aの準備
- 100 mL のエルレンマイヤーフラスコで、ポリ(フッ化ビニリデン-コヘキサフルオロプロピレン)(PVDF-HFP)と 4-メチル-2-ペンタノン(MP)の 24 mL を混ぜ合わせます。
注意:MPは可燃性であり、急性毒性です。ヒュームフードと個人用保護具を使用してください。 - 磁気スターラーバーを追加し、ストッパーでフラスコを閉じます。
- フラスコをポリエチレン系の実験室用ストレッチフィルムで密封します。
- 磁気スターラーと温度制御ホットプレートを使用して、ポリマーが完全に溶解するまで、典型的には一晩で、70°Cで中速で溶液をかき混ぜます。
注: プロトコルはここで一時停止することができます。調製された溶液は、長期間にわたって密閉された密閉容器に貯蔵することができる。溶液がゲルに変わった場合は、再加熱(70°C)にし、ステップ2.3で使用する前に混合します。溶剤を追加する必要はありません。通常、このレシピの量は、約150 cm2の活物質(最終的な複合厚さ約150 μm)の収量です。これは2つの10 cmの直径の刺繍フレームのバッチに対応する。
- 100 mL のエルレンマイヤーフラスコで、ポリ(フッ化ビニリデン-コヘキサフルオロプロピレン)(PVDF-HFP)と 4-メチル-2-ペンタノン(MP)の 24 mL を混ぜ合わせます。
- 電極懸濁液Bの準備
- 別の100 mLエルレンマイヤーフラスコでは、1.75gの炭素(例えば、TiCまたはB4C前駆体由来の炭化物由来炭素)、イオン液体の2g(例えば、[EMIM][OTf])および10mLのMPを混ぜ合わせる。
注意:望ましくない静電充電効果は、炭素粉末の重量を量ることを非常に困難にする可能性があります。静電気の蓄積を減らすために計量中に静電気散逸性履物を着用してください。また、微細な炭素粒子の吸入を防ぐため、個人用保護具を使用してください。 - 磁気スターラーを使用して、室温で閉じた容器にサスペンションを少なくとも1時間混ぜます。あるいは、超音波プローブは、このステップですでに使用することができます(ステップ2.3.4を参照してください)。
注:実験はここで一時停止することができ、懸濁液Bは、最終的な電極懸濁液を得るために溶液Aと混合する前に、長期間閉じた密閉容器に保管または混合することができます。
- 別の100 mLエルレンマイヤーフラスコでは、1.75gの炭素(例えば、TiCまたはB4C前駆体由来の炭化物由来炭素)、イオン液体の2g(例えば、[EMIM][OTf])および10mLのMPを混ぜ合わせる。
- 最終的な電極懸濁液の準備
- 溶液Aのポリマーがフラスコをわずかに傾けて溶解して溶解していないポリマーペレット(または破片)を検出し、溶液が粘性があるが液体であることを確認します。それでない場合は、次のステップに進む前に70°Cでかき混ぜます。
- 電極溶液A(ポリマー溶液)を電極懸濁液Bを含むフラスコ(炭素、イオン液体、溶媒)に注ぎ込む。
- 余分な10 mLのMPを使用して、フラスコAの壁から残りの材料をすすいで、フラスコBの最終懸濁液に注ぎます。
- 最終懸濁液に超音波プローブを沈め、サイクルを0.5(パルス)に設定し、フュームフードの下でサスペンションを1時間均質化します。プローブとガラス容器の壁との接触を避けてください。あるいは、超音波プローブが利用できない場合には、密閉容器内で一晩に数時間の磁気攪拌機と混合することが可能である。
注:実験はここで一時停止することができ、最終的な電極懸濁液は、長期間にわたって閉じた密閉容器に保管または混合することができます。
- 電極のスプレー
メモ:ここでは、電極の準備に岩田エアブラシHP TR-2を使用しています。しかし、他のタイプのスプレーガンや工業用自動スプレーシステムを使用することもできます。- フームフードの壁を頑丈な紙とテープで覆い、その後の清掃を容易にします。吸気領域を覆わない。スプレー時に煙のフードの蓋をできるだけ低くしてください。
- エアブラシを圧縮空気供給に接続し、圧力を調整します(ここでは、2本のバーの標準接続と圧力が使用されます)。
注:圧力は懸濁液を運ぶのに十分である必要がありますが、膜を損傷するには高すぎないようにしてください。 - エアブラシの貯蔵部にアセトン(または他の互換性のある溶媒)を充填し、まず紙または段ボールにスプレーをテストして、エアブラシが清潔で閉塞がないか確認します。
- ステップ2.3で調製した電極懸濁液がフラスコを傾けて液体状であるかどうかを確認する。長期間保存するとゲルになる場合があります。温度制御されたホットプレートを使用して磁気攪拌機バーと混合しながら70°Cに再加熱し、再び液体に変えます。溶剤を追加する必要はありません。
- エルレンマイヤーフラスコの電極懸濁液をエアブラシのきれいな貯蔵所に注ぎます。
- 最初に紙の上に懸濁液の流れをテストします。その後、準備された膜を覆うに移る。
- スプレーを開始する前に、エアブラシの移動を開始します。約20cmの距離でスプレーし、膜に垂直にエアブラシを保持します。膜全体を覆うために、エアブラシをまっすぐに動かし、制御されたストロークを保ちます。
- 膜の片側を覆うためにかかるターンの数に注意するか、または代わりに、膜の両側に等しい電極の厚さを確保するために、リザーバに追加された懸濁液量を監視します。
- 膜の片側の電極をヒュームフードの下で乾燥させます。熱風銃は、必要に応じて乾燥プロセスを加速するために使用できます(ステップ1.5.9を参照)。
- ステップ2.4.7~2.4.9を繰り返して、膜の反対側に2番目の電極を塗布します。
- 目的の複合厚さに達するまで、膜の両側を複数回覆います(ここでは最終的な全厚さは約150μmでした)。マイクロメータスクリューゲージを使用して、ドライコンポジットの厚さを監視します。
注: ここで実験を一時停止できます。ドライコンポジットは、ステップ3で金集電体を取り付ける前に、ジップロックバッグに長期間保管することができます。
3. 金集電体の取り付け
- 接着剤ソリューションの準備
注:このソリューションは、電極懸濁液(および膜溶液)と共に事前に調製することができます。接着剤を使用する前に、粘性を低下させるために、接着剤を再加熱してください。- 100 mLのエルレンマイヤーフラスコに、PVDF-HFPの2g、イオン液体の2g(例えば、[EMIM][OTf])、4 mLのPCおよび40 mLのMPを混ぜ合わせます。
- 磁気スターラーを加え、フラスコを閉じ、ポリエチレンベースの実験室用ストレッチフィルムで密封します。
- ポリマーが溶解するまで、温度制御ホットプレート上の70°Cで溶液を攪拌させ、典型的には一晩。
- 集電体を炭素複合材料に取り付ける(片側)
- ステップ2で作成したアクチュエータ素材をフレームからそっと取り外します。
- 定規とメスを使って4cm×3cmの部分を切り取ります。繊維強化膜を使用した場合は、カットを繊維(複合材料の端から見える)に合わせます。
注: 推奨されるカット サイズは、小規模から中規模のバッチに最も便利です。しかし、作業アクチュエータを入手することは重要ではありません。 - 金属パイプ(ここではd = 3 cm)を取り、テープを使用してカットピースをしっかりと固定します。活物質を無駄にしないように、約1mmのアクチュエータ素材をテープで重ねるようにしてください。
注:パイプまたはそのコーティングの材料は、接着剤溶液に使用された溶媒に耐える必要があります。正確な組成は、作業アクチュエータを得るために重要ではありません。熱をうまく伝導する材料(例えば、金属)は、乾燥プロセスを加速する上で有益であり得る。しかし、セラミックチューブやポリマーチューブやパイプも適している可能性があります。 - はさみを使用して、転写紙に金の4cm x 4cmの部分を切り取り、ティッシュペーパーの上に片方を置きます。
注:金の葉を転写紙の表面に置くことは、良質の集電体を得るために重要です。 - スプレーガン用の「ドッキング」ステーションを用意し、直立した位置に迅速かつ安全に保管できます。接着剤は、スプレーが停止するとすぐに乾燥し始めるので、金の集電体を適用する際に遅延が発生することが重要です。
- フュームフードの下で作業している間に、パイプに固定されたアクチュエータ材料にステップ3.1.3の接着剤溶液をスプレーします(ステップ3.2.3)。
- 接着剤がまだ濡れている間に、金箔(ステップ3.2.4)の上にパイプを転がします。圧延には過度の圧力は必要ありません。
- 転写紙を取り出し、ティッシュペーパーをもう一度ロールして、金が正しく取り付けられていることを確認します。
- 赤外線(IR)光(距離10〜15cm)または真空オーブン(室温で可能な限り最高の真空)に材料を入れ、約20〜30分間乾燥させます。
- 集電体が正しく取り付けられていないか、またはいくつかのより大きな欠陥がある場合は、ステップ3.2.3から3.2.9を繰り返して、第1層が乾燥したら2番目の層を追加して完全に欠陥のない集電体を得る。
- コンポジットの反対側に集電体をアタッチします。
- テープをそっと取り出し、パイプから材料を取り出します。
- アセトンとティッシュペーパーでパイプを洗浄し、接着剤と金の残留物を取り除きます。
- パイプに向けて金でコーティングされた側でパイプ上でアクチュエータ材料を再び固定します。
- ステップ 3.2.3 ~ 3.2.10 を繰り返して、材料の反対側にも集電体をアタッチします。
- 完成したコンポジットをパイプから慎重に取り出し、少なくとも24時間はヒュームフードの下でポストドライにしておきます。
注:ほこりの粒子に対して材料を保護します。乾燥後、材料はジップロックバッグに収納できます。サンプルを高温で長期間(数時間から数日)乾燥させるため、熱成形が目的でない限り、温度を避けてください。
4. 切削加工、整形、接触、アクチュエータの特徴付け
- アクチュエータの切断
- 鋭いメス(および金属定規)を使用して、アクチュエータを目的の形状にカットします。常にアクチュエータの側面に余分な金によって引き起こされる短絡を避けるために材料のすべての側面を切断します。
注:はさみを使用して材料を切断することは、材料を変形させ、サンプルの側面に短絡を引き起こす可能性があるため、お勧めできません。
- 鋭いメス(および金属定規)を使用して、アクチュエータを目的の形状にカットします。常にアクチュエータの側面に余分な金によって引き起こされる短絡を避けるために材料のすべての側面を切断します。
- アクチュエータの形状(グリッパなど)
注:このポリマー複合材料の形状は、より興味深いアプリケーションのために、フラットラミネートからより高度なものに簡単に変更することができます。必要な構成によっては、最初に連絡先を接続する必要があります。- カットアクチュエータを取り、金型に(例えば、ビデオに示すように小さなガラスバイアルに)に置きます。
- サンプルをオーブンに1時間以上入れ、60°Cに加熱します。
- アクチュエータの使用
注:ビデオでは、カスタム磁気接触と接触を作るためのケルビンクリップを修正した様子を紹介します。どちらの場合も、24kゴールドプレートはアクチュエータと直接接触する唯一の材料です。- 電気化学的に非反応性の接触(例えば、金)の間でアクチュエータをクランプします。
注: 接触圧力は、信頼性の高い電気的接触を得るのに十分である必要がありますが、永久的な変形を引き起こすには高すぎないようにしてください。 - ステップ電圧(または電流)を適用するか、より複雑な制御信号を使用してアクチュエータを制御します。通常、±2V以下のステップ電圧は、このタイプのアクチュエータを駆動するために使用されています。アクチュエータ制御の考慮事項の詳細については、Ref24を参照してください。
- 同時にレーザー変位計またはビデオカメラを使用して、作動を記録します。
- 電気化学的に非反応性の接触(例えば、金)の間でアクチュエータをクランプします。
- SEMイメージング用のクライオフラクチャ(PTFEベースのアクチュエータ)
注: 液体窒素で凍結した後にサンプルを壊すことは、SEMイメージング中にきれいな断面を得るための推奨されるアプローチです。
注意:液体窒素容器のキャップをしっかりと閉めないでください。圧力の蓄積とその後のリリースは、重傷を引き起こす可能性があります。また、液体窒素は−196°Cで沸騰するため、低温による怪我を防ぐため、注意が必要です。- 熱絶縁容器に液体窒素を注ぐ(例えば、使い捨て泡カップ)
- まず、サンプルを入れ、後で金属工具を液体窒素に入れ、サンプルを約1分間凍結させます。
注:金属工具(例えば、メスやピンセット)を冷却することは、温度差による剥離の可能性を防ぐことをお勧めします。しかし、金属の熱伝導率が向上した場合、工具は高分子複合材料よりも冷却時間が短くなってもらいたい。さらに、あまりにも深く冷却された金属工具は扱えないかもしれません。 - 冷却されたピンセットの2セットで冷凍サンプルをつかみ、それを壊します。
- SEMイメージング(繊維強化アクチュエータ)のためのクライオフラクチュエーション。
メモ:繊維強化アクチュエータ(特にガラス繊維を使用している場合)は、凍結状態でも壊れない場合があります。冷却された刃を用いて切断することで、きれいな断面が得られる。- アクチュエータとメスを液体窒素で凍らせます(ステップ4.4.2の注を参照)。
- 凍結したサンプルをノンスティック切断面(PTFEのブロックなど)に置き、冷却されたメスを使用してアクチュエータ材料を刻みます。
Representative Results
成功した実験と失敗した実験を区別する主なエンドポイントは、電源に接続された後の電気信号に対する材料の応答です。電気工学では、銅は接触作りのためのよく知られた材料です。しかし、銅も電気化学的に活性であり、そこで紹介されたイオン系との接触には適していません。銅接点を使用すると、複合材料を通して樹状突起が発生するため、短絡が発生する可能性があります。また、材料特性解析の場合、電気活性材料に由来する電流(および作動)と銅29の電気化学的活性に由来する電流(および作動)を区別することができない。我々は以前に、作動が、信頼性が低いが、活性材料を添加することなく(すなわち、炭素系または導電性ポリマー電極)が湿ったイオノマー膜(例えば、ナフィオン)および銅端子29の場合に可能であることを示した。したがって、ここでの活物質を用いた実験はすべて、不活性金接点のみを用いて行われている。
電気化学インピーダンス分光法(EIS)は、使用前の容量性アクチュエータ材料の特性評価とトラブルシューティングのための非破壊法です。図4Cおよび4Dのインピーダンススペクトルは、2電極構成でポテンショスタット/ガルバノスタット/FRAを使用して捕捉されました。試料(20mm×4mm x 150 μm)を金接点間に配置し、インピーダンス測定中の入力信号振幅を5mVRMSに設定し、200kHz~0.01Hzの周波数をスキャンした。図4Cおよび4Dは、高い(〜300Ωcm2)または低い(〜5 Ωcm2)の内部抵抗を有するアクチュ2エータからの典型的なインピーダンススペクトルをそれぞれ示す。スペクトルは、それぞれ浸漬膜を有する乾燥したPTFE膜と別のサンプルを用いてサンプルを用いて記録した。材料を介したイオン伝導度が高いほど、より速いアクチュエータに対応し、同じアクチュエーション周波数(図4Bを参照)での変位も多くなる傾向があり、他のすべてのパラメータ(例えば、機械的パラメータ)が変化せずに、材料全般が活性である場合。
EISの非破壊性は、複合材料の短絡の検出に特に有益です。現在のプロトコルに従って作成されたアクチュエータの場合、短絡はアクチュエータ側の集電器の破片によって引き起こされることが最も多い(ステップ4.1.1の切断指示を参照)、または欠陥のある膜(例えば、セクション1.5で指示された繊維強化膜のすべてのピンホールを覆わない場合)によってよりまれに起こる。抵抗器(この場合は短絡)は、EIS実験のナイキストプロットのドットとして提示されます。このような応答を観察することは、欠陥のあるサンプルの特定の指標である(機能容量性アクチュエータの基準スペクトルについては、図4Cおよび4Dを参照)。短絡サンプルは、通常、作動しません。さらに、これらは、抵抗加熱と作動しようとしたときの複合材料の溶融のために永久に役に立たないことが最も多かった。
その機能形態では、この材料は、その製造に使用される具体的に合わせた電解質のおかげで二重層の充放電に応答して曲げ運動を示す二重層コンデンサである。環状ボルタンメトリー(CV)は、さまざまなシステムを研究するために電気化学で広く使用されている技術です。CV実験の間、作動電極の電位(この場合はアクチュエータの電極の1つ)は、一定の速度(例えば、±2V間の800 mV/s)の対極(ここではアクチュエータの他の電極)に関して変化し、システムからの電流応答はポテンシオスタットを使用して記録される。容量性積層体からの典型的な現在の応答を図4Eに示します。浸したPTFE膜(4Eの濃い灰色)を伴うサンプルの現在の応答は理想的なコンデンサの反応に似ています:電流は電極電位に依存せず、電位を逆転させると、電流方向(したがってそのサイン)がすぐに(そしてそのサイン)変化し、(ほぼ)長方形のボルタンモグラムが生じます。サンプルの反応は、サンプルが最初に乾燥した膜(ピンクの4E)を用いて、このスキャン速度ではあまり理想的でないコンデンサの挙動を示しています。それでも、両方のサンプルは、複合材料の容量性の性質を示しています。一方、図4Eの明るい灰色の線は、Ohmの法則に密接に従う欠陥のあるサンプル(例えば、短絡したサンプル)からの挙動を示しています。
さまざまな機能アクチュエータのパフォーマンスを図 4Aと図4Bに示します。図4Aは、5本指の熱成形アクチュエータが電圧ステップに応じてランダムな形状の物体を握り、保持し、放出するビデオからのスナップショットを示す。通常、よりシンプルなジオメトリは、マテリアルの特性評価のために使用されます。例えば、図4Bは、±2V間の三角電圧信号に応答して、乾燥したPTFE膜アクチュエータの最大曲げ角度28,3030を強調しています。異なるアクチュエータ材料を特徴付けるために、カンチレバー位置の金クランプの間にサンプル(4mm x 20mm x 150 μm)を配置し(作動のために18mm自由長を残す)、曲げ角をビデオカメラで記録しました。あるいは、アクチュエータに沿った単一点の移動(例えば、接点から5mm)は、典型的には時間で監視され、歪み差計算31,32,32に用いられている。ビデオ処理は、より複雑ですが、サンプルの曲げプロファイル全体に関するより多くの情報を提供し、また、そのような必要性が発生した場合、パフォーマンスを後で再分析することができます。図4Bの0.1 Hzポイントは、アクチュエーション電圧と作動周波数の両方で、図4Eの循環ボルタンメトリー実験で使用されたのとまったく同じ信号に対応しています。同じ信号を特性評価と作動に使用することで、例えば、物質の容量性の性質や、作動中の電気化学反応の安定性と欠如について結論を出すことができます。
電気化学的方法(EIS、CV)、(典型的には)マイクロメータレベル(SEM)および変位特性におけるアクチュエータ構造の可視化は、イオンアクチュエータの特性評価および製造プロセスの成功の評価のための最も一般的な方法である。しかし、より特定のアプリケーションでアクチュエータの性能を評価するカスタム実験は、アプリケーション固有の性能(例えば、負荷を運ぶ能力)を評価するために開発されることがよくあります。
図3:イメージング。高孔質PTFE膜(A)と同膜を用いて作製されたアクチュエータの断面を示す走査型電子顕微鏡写真(C)。繊維強化アクチュエータの断面(D)と対応するシルク補強材の光学写真(B)を示すSEM顕微鏡写真。SEM断面のサンプルは、最初に液体窒素を使用して凍結破壊され、金属サンプルホルダーに取り付けられ、スパッタコーターを使用してより良い定義のために5nmの金でスパッタリングしました。15 keV加速電圧での撮像には卓上走査電子顕微鏡を用いた。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図4:アクチュエータの代表的な結果。(A)電圧ステップと5アームグリッパーの対応する画像は、ランダムな形状(接触なしアクチュエータ21mg;ポリスチレンフォーム負荷17.8mg)を準拠しています。(B)4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE ベースのアクチュエータの全曲角は、異なる作動周波数(n=3、誤差棒)の標準偏差を表す三角作動信号(±2 V)に応答して金の接触(18 mm自由長)の間にクランプされたPTFEベースのアクチュエータです。(CおよびD)電気機械活性容量積層物の典型的な電気化学的インピーダンススペクトル(5 mVRMS信号振幅);(E)容量性積層体の典型的な環状ボルタンメトリー (Bの0.1Hzポイントに対応する800mV/sスキャン速度を用いた三角作動信号)。環状ボルタンモグラムの灰色の線は比較のためのものであり、オームの法則に密接に従う潜在的な欠陥のあるアクチュエータ(本質的には抵抗器)からの応答を示す。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図5:膜調製中のスピン乾燥(A) 配筋が取り付けられたフレームを持つセットアップのセットアップの図 (B) の図。スピンドライの際、遠心力は膜層の残留溶媒をフレームの縁に向けて導きます。これは乾燥プロセスを加速するために有益である可能性があります。しかし、完全に湿った膜の場合、これは活性物質(ポリマーおよびイオン液体)の損失をもたらす可能性があるため、避けるべきである。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
Discussion
さまざまなアクチュエータアプリケーション用のイオン電気的に活性な複合製剤、およびエネルギー貯蔵、収穫33、またはセンシング34アプリケーションのための簡単で高速で再現可能で多用途な製造方法を発表しました。現在の方法は、一体の受動および化学的に不活性な成分を有する膜(例えば、繊維強化ポリマーネットワークまたは高多孔性テフロン膜も参照)に焦点Figure 3を当てている。さらに、得られた膜は、他の多くの一般的なアクチュエータ製造方法および材料と比較して、電極懸濁液または短絡ホットスポット形成における溶媒(または電解質)による膨潤および座屈のリスクが低い。
容量性アクチュエーターラミネート調製の重要なステップは、膜調製、電極製造、集電体付着、切断、および接触である(図2)。これらの各手順は、カスタマイズとパフォーマンスの最適化だけでなく、間違いのための余地を残します。次のセクションでは、この製造方法の有益な変更とトラブルシューティング戦略について詳しく説明します。高性能複合材料は、留意する必要があるいくつかの重要な側面の相互作用から生じる:電極に沿って十分な電子伝導性(炭素電極に金集電体を追加する)。膜を通る十分なイオン伝導性(薄い多孔質膜と十分な量の低粘度電解質を使用し、不活性ポリマーネットワークを使用して膜と電解質の間の不利な相互作用のリスクを低減する);電極の高い表面積(適切な炭素タイプを選択);電極の非対称的な腫脹/収縮をもたらす調整された電解質(適切な電解質を選択する);機械的パラメータ(ヤングの成分のモジュライ)。高性能カーボンベースアクチュエータのこれらの主な側面も図1Bで強調されています。
高性能膜は、この複合体の中心部分です。それは2つの仕事を持っている:高いイオン伝導性を可能にしながら、電極間の電子伝導性(短絡)を防ぐ。膜への修飾は、いくつかの目的を果たすことができる、例えばMust et al.24によって導入されたツールの統合または新しい特性の追加(例えば、生体適合性、生分解性または異なる機械的特性)。現在の製造方法は、膜内の他のポリマーおよび電解質を使用して、活性ラミネートに新しい特性を導入するように変更することができます。繊維強化アクチュエータに関してここで導入された溶媒選択戦略と同様に、膜調製に比べて、その後の電極製造のための貧しい溶媒を選択することが推奨される。これにより、膜は電極の添加後も機能し、無傷であることを保証します。
最終的な複合材料の作動性能は、選択された電極材料(炭素)、電解質、およびおそらくそれらの互いに相溶性の影響を受ける。このプロトコルは、ホウ素炭化物由来炭素と1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスルホン酸塩([EMIM][OTf])イオン液体を使用して炭素ベースの容量性ラミネートを製造することを導入します。しかしながら、同じプロトコルは、他の源からの炭化物由来炭素(例えば、TiC35、SiCまたはMo2C36)、カーボンナノチューブ8、37、37カーボンエアロゲル38または8グラフェン39、その他の他の高比表面積炭素材料に適応可能である。また、他の電解質もアクチュエータ調製物に使用することができる。機能性複合材料を得ることは、このプロトコルで提示される炭素およびイオン液体タイプに限定されない。炭素粒子サイズ、電極懸濁液中のそれらの可能な凝集および懸濁液の粘度は、スプレーコーティングプロセスのためのより重要なパラメータである。
この方法により、再生可能な特性を持つ電気機械活性積層材料を大量に生産することができます。この材料からなるアクチュエータの小型化は、主に高精度の切削を用いて行われる(例えば図3C)。噴霧塗布時にマスキング、パターニングなどの微細構造を調製するための代替方法が可能である。また、ミリスケール構造は、後続の金集電体取り付けステップでパターン化することもできます。ただし、サブミリスケールでは、これは非常に困難になる可能性があります。パターン可能な特徴がマイクロメートルスケールでなければならない場合、金集電体のない他のタイプのアクチュエータまたはカーボンベースのアクチュエータは、より簡単に準備できるかもしれません。
電気刺激に応答する本質的に柔らかいアクチュエータは、その柔らかく、準拠した性質、静かな操作と低い必要な電圧レベルのおかげで多くの利点を持っています。現在のプロトコルは、アクチュレーション性能を損なうことなく、このような材料を大量に、バッチ間およびバッチ内の反復性を高く生成する方法を示しています。完全なカプセル化アプローチに成功しただけでなく、生物の近くまたは内部で操作を可能にする、より生物学的に優しい、そしておそらく生物分解性成分を組み込むための現在の方法の変更と、導入された活性物質を柔らかいロボットまたは生物医学装置に統合することが将来に向けて構想されている。
Disclosures
著者らは開示するものは何もない。
Acknowledgments
著者たちは、フィリップス・リサーチのロン・ホーヴェンカンプとマルセル・ムルダーに有益な議論に感謝したいと考えています。この研究は、エストニア教育研究省の機関研究資金IUT(IUT 20-24)によって部分的に支援されました。 エストニア研究評議会助成金(PUT1696)、欧州地域開発基金、プログラムMobilitas Pluss(グラント・ノーMOBTP47)、マリー・スクウォトフスカ・キュリー助成協定No 793377(BIOACT)に基づく欧州連合(EU)のホライゾン2020研究・イノベーションプログラム、およびプロジェクトIMPACT-MIIEITヘルスイノベーションプロジェクトを行っています。EITヘルスは、欧州連合(EU)の機関であるEITによってサポートされています。
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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