Summary
Este artigo descreve um processo de fabricação rápido e simples de materiais compostos eletromecânicos iônicos ativos para atuadores em aplicações biomédicas, biomiméticas e robótica macia. Os principais passos de fabricação, sua importância para as propriedades finais dos atuadores, e algumas das principais técnicas de caracterização são descritos em detalhes.
Abstract
Laminados capacitivos eletromecânicos iônicos são um tipo de material inteligente que se move em resposta à estimulação elétrica. Devido à natureza suave, compatível e biomimética dessa deformação, os atuadores feitos do laminado têm recebido crescente interesse em robótica suave e (bio)aplicações médicas. No entanto, métodos para fabricar facilmente o material ativo em grandes quantidades (mesmo industriais) e com uma alta repetibilidade de lote a lote e dentro do lote são necessários para transferir o conhecimento de laboratório para indústria. Este protocolo descreve um método simples, industrialmente escalável e reprodutível para a fabricação de laminados capacitivos eletromecanicamente ativos à base de carbono iônico e a preparação de atuadores feitos. A inclusão de uma camada média passiva e quimicamente inerte (insolúvel) (por exemplo, uma rede de polímeros reforçados por têxteis ou teflon microporoso) distingue o método de outros. O protocolo é dividido em cinco etapas: preparação da membrana, preparação de eletrodos, apego ao coletor atual, corte e modelagem e atuação. Seguir o protocolo resulta em um material ativo que pode, por exemplo, agarrar e segurar um objeto em forma aleatória, conforme demonstrado no artigo.
Introduction
Polímeros eletromecanicamente ativos ou compósitos poliméricos são materiais intrinsecamente macios e compatíveis que têm recebido crescente interesse em diferentes aplicações de robótica macia e biomimética (por exemplo, como atuadores, pinças ou robôs bioinspirados1,2). Este tipo de material responde a sinais elétricos na faixa de alguns volts, o que os torna fáceis de integrar com a eletrônica convencional e fontes de energia3. Muitos tipos diferentes de materiais base de atuadores iônicos estão disponíveis, como descrito em detalhes em outros lugares4, e novamente muito recentemente5. Além disso, foi particularmente enfatizado recentemente que o desenvolvimento de dispositivos robóticos macios estará muito intimamente relacionado com o desenvolvimento de processos avançados de fabricação para materiais e componentes ativos relevantes6. Além disso, a importância de um fluxo de processo eficiente e bem estabelecido na preparação de atuadores reprodutíveis que tenham potencial para passar do laboratório para a indústria também foi destacada em estudos baseados em métodos anteriores7.
Ao longo das últimas décadas, muitos métodos de fabricação foram desenvolvidos ou adaptados para a preparação de atuadores (por exemplo, fundição camada por camada8 e prensagem a quente9,,10, redução de impregnação11, pintura12,,13, ou sputtering e síntese eletroquímica subseqüente14,15, impressão a jato de tinta16 e spin-coating17); alguns métodos são mais universais, e alguns são mais limitantes em termos de seleção de materiais do que outros. No entanto, muitos dos métodos atuais são bastante complicados e/ou mais adequados para fabricação em escala laboratorial. O protocolo atual concentra-se em um método de fabricação de atuadores rápidos, repetíveis, confiáveis, automatizados e escaláveis para produzir laminados ativos com baixa variabilidade de lote a lote e dentro do lote e uma longa vida útil do atuador18. Este método pode ser usado por cientistas de materiais para desenvolver atuadores de alto desempenho para a próxima geração de aplicações bioinspiradas. Além disso, seguir este método sem modificações dá aos engenheiros e professores de robótica suave um material ativo para o desenvolvimento e prototipagem de novos dispositivos, ou para o ensino de conceitos de robótica suave.
Polímeros ou atuadores poliméricos eletrometicamente ativos eletrometicamente são tipicamente feitos de compósitos laminar de duas ou três camadas e dobram em resposta à estimulação elétrica na faixa de poucos volts(Figura 1). Este movimento de dobra é causado pelos efeitos de inchaço e contração nas camadas de eletrodos, e é tipicamente trazido por reações faradaic (redox) sobre os eletrodos (por exemplo, no caso de polímeros eletromecânicomente ativos (EAPs) como os polímeros condutores) ou pelo carregamento capacitivo da dupla camada (por exemplo, em eletrodos polímeros baseados em carbono, onde o polímero pode atuar apenas como um polímero de forma Neste protocolo(Figura 2),focamos no último; mostramos a fabricação de um composto eletromecanicamente ativo que consiste em dois eletrodos de superfície específicos de alta superfície eletronicamente condutores à base de carbono que são separados por uma membrana inerte ion-condutiva que facilita o movimento de cádos e aniões entre os eletrodos – uma configuração muito semelhante aos supercapacitores. Este tipo de atuador dobra-se em resposta ao carregamento/descarga capacitivo e o consequente inchaço/contração dos eletrodos é tipicamente atribuído às diferenças no volume e mobilidade de cados e anions do eletrólito8,,10,19. A menos que o carbono funcional da superfície seja usado como material ativo ou o composto capacitivo seja usado fora da janela potencial de estabilidade eletroquímica do eletrólito, não se espera que reações faradâmicas ocorram neste tipo de eletrodos20. A falta de reações faradaicas é o principal contribuinte para as vidas benéficas e longas deste material atuador (ou seja, milhares de ciclos no ar8,18 mostrados para diferentes atuadores capacitivos).
Figura 1: A estrutura do atuador à base de carbono no neutro (A) e no estado acionado (B). (B) também destaca as principais características que determinam o desempenho de um atuador iônico. Nota: a figura não é atraída para a escala. O tamanho do íon tem sido exagerado para ilustrar o mecanismo de atuação mais comumente citado prevalente no caso de uma membrana inerte que permite a mobilidade de aniões e côndeses do eletrólito (por exemplo, líquido iônico). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A obtenção de uma membrana funcional que permanece intacta durante todo o processo de fabricação é um dos passos fundamentais na preparação bem sucedida do atuador. Uma membrana de alto desempenho para um atuador é o mais fina possível e permite condutividade iônica entre os eletrodos enquanto bloqueia qualquer condutividade eletrônica. A condutividade iônica na membrana pode resultar da combinação do eletrólito com uma rede porosa inerte (por exemplo, a abordagem utilizada neste protocolo) ou pelo uso de polímeros específicos com unidades ionizadas covalentemente ligadas ou outros grupos que permitem interações com o eletrólito. A abordagem anterior é preferida aqui por sua simplicidade, enquanto interações especificamente adaptadas entre o eletrólito e a rede de polímeros também podem ter vantagens, se interações desfavoráveis (por exemplo, bloqueando ou retardando o movimento de íons significativamente devido às interações) podem ser descartadas. A vasta seleção de membranas ionomericas ou ativas para atuadores eletromecanicamente ativos e seus mecanismos de atuação resultantes foram revisadas recentemente21. A seleção da membrana, além da seleção de eletrodos, desempenha um papel crucial no desempenho do atuador, na vida e no mecanismo de atuação. O protocolo atual está focando principalmente em membranas inertes que fornecem a estrutura porosa para migração de íons (como mostrado na Figura 1),embora partes do protocolo (por exemplo, opção de membrana C) também possam ser benéficas para as membranas ativas.
Além da seleção do material de membrana, seu método de fabricação também desempenha um papel importante na obtenção de um separador funcional para o composto. As membranas fundidas anteriormente utilizadas tendem a derreter durante o passo de pressão a quente posterior e, portanto, podem formar pontos de curto-circuito22. Além disso, as membranas ionomericas comerciais (por exemplo, Nafion) tendem a inchar e dobrar significativamente em resposta aos solventes usados nas etapas de fabricaçãoposteriores 12, e alguns polímeros (por exemplo, celulose23) são conhecidos por dissolver em alguma medida em alguns líquidos iônicos, possivelmente causando problemas com a repetibilidade do processo de fabricação e resultando em má uniformidade dos eletrodos. Portanto, este protocolo se concentra em atuadores com um componente integral passivo e quimicamente inerte na membrana (por exemplo, fibra de vidro ou seda com PVDF ou PTFE) que impede o composto de inchaço e entortamento em etapas de fabricação posterior ou de formar pontos de curto-circuito. Além disso, a adição de um componente inerte e passivo simplifica significativamente o processo de fabricação e permite tamanhos de lotes maiores em comparação com métodos mais tradicionais.
A inclusão de um reforço passivo na membrana foi introduzida pela primeira vez por Kaasik et al. 18 para enfrentar os problemas acima mencionados no processo de fabricação do atuador. A inclusão de um reforço têxtil tecida (ver também figura 3B e 3D) introduz ainda mais a capacidade de integrar ferramentas no composto ativo24 ou desenvolver têxteis inteligentes18. Portanto, a opção de membrana C no protocolo é mais adequada para tais aplicações. No entanto, no caso de atuadores miniaturizados (no nível sub-milimétrico), a razão passivo-ativo na membrana torna-se cada vez mais desfavorável e a inclusão de um reforço têxtil ordenado pode começar a influenciar negativamente o desempenho do atuador e a repetibilidade amostral-amostral. Além disso, a direção do reforço (ao longo ou na diagonal em relação à direção da dobra) pode afetar o desempenho de atuadores mais complexos inesperadamente. Portanto, uma estrutura inerte menos ordenada e altamente porosa seria mais benéfica para atuadores miniaturizados e formas atuadoras mais complexas.
O politetrafluoetileno (PTFE, também conhecido pelo nome comercial Teflon) é um dos polímeros mais inertes conhecidos até hoje. É tipicamente altamente hidrofóbico, mas versões tratadas na superfície que são tornadas hidrofílicas existem, que são mais facilmente utilizáveis na fabricação do atuador. A Figura 3A ilustra a estrutura aleatória de uma membrana de filtração ptfe hidrofílica inerte que foi utilizada neste protocolo para preparação do atuador. Além da uniformidade deste material em todas as direções que é benéfica para cortar atuadores miniaturizados ou formas complexas, o uso de uma membrana de filtração comercial com porosidade controlada simplifica ainda mais o processo de fabricação do atuador, quase eliminando a necessidade de qualquer preparação de membrana. Além disso, as espessuras de membrana tão baixas quanto 30 μm são extremamente difíceis de obter na configuração anteriormente descrita com reforço têxtil. Portanto, os métodos de fabricação de atuadores baseados em PTFE (opções A e B) deste protocolo devem ser preferidos na maioria dos casos, considerando ainda que a opção A é mais rápida, mas os atuadores feitos usando a opção B mostram cepas maiores (na faixa de frequência apresentada na Figura 4B). O aperto macio introduzido na seção de resultados representativos também foi preparado utilizando a membrana PTFE primeiro embebido em eletrólito.
Depois que uma membrana funcional foi preparada, o protocolo continua com a preparação do eletrodo e o acessório coletor atual. Os eletrodos à base de carbono são adicionados usando revestimento de spray – um procedimento industrialmente estabelecido que permite um alto controle sobre a espessura resultante da camada de eletrodos. Eletrodos mais uniformes são produzidos com revestimento de spray em comparação, por exemplo, com o método de fundição (ou possivelmente também outros métodos líquidos) onde a sedimentação de partículas de carbono durante a secagem do filme25 são conhecidas por ocorrer. Além disso, outra característica do método de fabricação apresentado se baseia na estratégia de seleção de solventes que é mais importante no caso de membranas com reforço têxtil. Mais precisamente, 4-metil-2-pentanona (o solvente na suspensão de eletrodos e solução de cola) não dissolve os reforços de membrana inerte ou PVDF que é usado na solução de membrana da membrana têxtil-reforçada. Portanto, o risco de criar pontos de curto-circuito no composto durante o revestimento de spray é ainda mais reduzido.
O laminado capacitivo já está ativo após a aplicação de eletrodos de carbono. No entanto, uma ordem de magnitude mais rápido atuadores26 são obtidos com a aplicação de coletores de corrente de ouro. Outro passo importante no protocolo é a fixação dos coletores atuais enquanto o eletrodo correspondente está no estado esticado (ou seja, o composto está dobrado). Portanto, no estado plano neutro do atuador, a folha de ouro será dobrada no nível submilímetro. Esta abordagem de buffering-by-buckling27 permite deformações mais altas sem quebrar do que seria possível para uma folha de metal multa (~100 nm).
Todas as etapas de fabricação do atuador (preparação da membrana, pulverização de eletrodos, acessório coletor atual) também foram resumidas na Figura 2. Para a demonstração de caracterização de desempenho, preparamos um gripper que está agarrando, segurando e liberando um objeto em forma aleatória com uma textura de superfície aleatória. Geometrias mais simples, como amostras retangulares com proporção 1:4 ou superior (por exemplo, 4 mm a 20 mm ou mesmo 1 mm a 20 mm28) cortadas do material ativo e fixadas na posição cantilever também são muito típicas para caracterização material ou outras aplicações que utilizem o comportamento do tipo de dobra.
O artigo termina com uma breve introdução à típica caracterização de material capacitivo eletrometricamente ativo e técnicas de solução de problemas usando a geometria mais simples do atuador retangular. Mostramos como utilizar técnicas comuns de caracterização eletroquímica como a voltammetria cíclica (CV) e a espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) para caracterizar e solucionar o material do atuador com mais detalhes. A visualização do composto em nível sub-milimétrico é feita utilizando-se a microscopia eletrônica de varredura (SEM), para a qual usamos a técnica crio-fraturadora para preparar as amostras. A natureza polimérica do material dificulta a obtenção de seções transversais claras com apenas um corte regular. No entanto, a quebra de amostras congeladas resulta em seções transversais bem definidas.
Figura 2: Visão geral do processo de fabricação. Os passos mais importantes são destacados. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
ATENÇÃO: Muitos produtos químicos e componentes usados neste protocolo são perigosos, consulte as folhas de dados de segurança relevantes (SDS) para obter mais informações antes de iniciar o experimento. Utilize uma capa de fumaça e equipamentos de proteção pessoal (luvas, óculos, jaleco) ao manusear solventes voláteis durante o experimento (por exemplo, durante a preparação das soluções, fazendo a membrana reforçada, revestindo os eletrodos e anexando os coletores atuais). Evite o contato direto da pele com o composto final (a menos que esteja encapsulado28) sempre usando luvas.
1. Fazer a membrana separadora
- Pegue uma moldura, como uma moldura bordada.
NOTA: Usamos tamanhos de quadro padrão de 7,5 cm a 25 cm, dependendo do tamanho do lote desejado. Mais importante, o quadro deve ser feito de materiais que possam suportar os solventes e outros materiais utilizados na receita. Por exemplo, uma estrutura de bordado de polipropileno é usada neste protocolo. No entanto, se não tiver certeza, recomenda-se fazer um teste de solvente no quadro. - Escolha entre as opções A a C (discutidas acima e apresentadas na Figura 2) para encontrar a configuração de membrana mais adequada para a aplicação planejada. Apenas uma das três membranas é necessária para preparar material atuante funcional.
- Opção A: Utilização de membranas de filtragem comercial altamente porosas na preparação de separadores ion-condutores
- Tome uma membrana de filtragem de alta porosidade (como um filtro de membrana PTFE de 30 μm de espessura e 80% de porosidade). Se o filtro padrão for muito grande para o quadro, corte-o em forma usando uma tesoura. Corte a membrana entre as folhas de transferência para evitar contaminação.
- Fixar e fixar a membrana de filtração seca na moldura.
NOTA: Algumas membranas de filtragem podem ser bastante frágeis no estado seco. Fixar as membranas secas com muito cuidado para evitar rasgar. - Vá para o Passo 2 para continuar com a preparação composta eletromecanicamente ativa.
- Opção B: Utilização de membranas de filtragem comercial impregnadas por eletrólitos na preparação de separadores ion-condutores
- Tome uma membrana de filtragem de alta porosidade (como um filtro de membrana PTFE de 30 μm de espessura e 80% de porosidade). Se o filtro padrão for muito grande para o quadro, corte-o em forma usando uma tesoura. Corte a membrana entre as folhas de transferência para evitar contaminação.
- Registre a massa de membrana seca usando um equilíbrio analítico para calcular a captação de eletrólitos mais tarde. Esta etapa é necessária apenas para monitoramento de repetibilidade em lote e pode ser ignorada.
- Coloque a membrana seca em uma placa de Petri e use uma pipeta para adicionar um excesso de líquido iônico (por exemplo, 1-etil-3-metilimidazolium trifluoromethansulfonato ([EMIM][OTf]).
ATENÇÃO: Use luvas para evitar o contato com a pele. - Incline ligeiramente o disco petri para ter certeza de que toda a membrana está coberta com líquido iônico ou usar uma pipeta para transferir líquido iônico para áreas onde a membrana ainda está seca.
- Deixe a membrana absorver em líquido iônico para alcançar a absorção máxima de eletrólitos.
- Uma vez que a membrana esteja suficientemente encharcada (no vídeo após cerca de 1 minuto), pipeta a maior parte do líquido iônico em excesso.
- Com uma pinça, coloque cuidadosamente a membrana entre os papéis do filtro para remover o resto do líquido iônico que não foi absorvido pela membrana. A membrana final deve ser semi-transparente, mas não molhada.
- Registre a massa da membrana encharcada e seca da Etapa 1.4.7 utilizando um equilíbrio analítico. Esta etapa é necessária apenas para o monitoramento de repetibilidade em lote e pode ser ignorada.
NOTA: No caso de membranas PTFE altamente porosas e líquidos iônicos relativamente baixos de viscosidade (por exemplo, [EMIM][OTf]), a captação máxima de líquido siônico é alcançada quase imediatamente. O uso de diferentes líquidos iônicos e diferentes membranas de polímeros comerciais (menos porosos) pode resultar em tempos de imersão mais longos. Tal necessidade pode ser determinada repetindo as etapas 1.4.1 a 1.4.8. até que uma massa de membrana constante seja obtida. No entanto, se o eletrólito é muito viscoso ou a membrana não é porosa o suficiente, então o desempenho do atuador pode não ser muito alto também. - Fixar e fixar a membrana encharcada e seca na moldura evitando rugas e dobras.
- Opção C:Fazer uma membrana têxtil condutora de íons que pode ser útil ao planejar o uso de polímeros personalizados (ou seja, polímeros não disponíveis como membranas comerciais (filtração), espessuras personalizadas de membrana, líquidos iônicos com maior viscosidade ou ao integrar ferramentas no atuador. Aqui mostramos o procedimento básico para a fabricação de membrana satístil reforçada que pode, por exemplo, ser modificada para incluir ferramentas ou tubos (ver Ref24para mais informações).
- Em um frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 2 g de fluoreto de polivinilideno (PVDF), 2 g de líquido iônico (por exemplo, [EMIM][OTf]), 4 mL de carbonato de propileno (PC) e 18 mL de N,N-dimetiltamide (DMAc).
ATENÇÃO: DMAc e PC são tóxicos e riscos à saúde e podem irritar a pele e os olhos. Manuseie com cuidado, use uma capa de fumaça e equipamentos de proteção pessoal. - Adicione uma barra de agitador magnético e feche o frasco com uma rolha.
- Sele o frasco com um filme de estiramento de laboratório à base de polietileno para evitar a evaporação de solventes.
NOTA: Use uma película de estiramento que resista a agitação a 70 °C (por exemplo, o ponto de fusão do Parafilm é de apenas 60 °C, e, portanto, o Parafilm não seria adequado para esta aplicação). - Mexa a solução durante a noite a 70 °C usando um agitador magnético e uma placa de aquecimento controlada pela temperatura. Coloque a velocidade de agitação para média. Uma velocidade de agitação muito alta pode introduzir muito ar na solução, enquanto a agitação muito lenta pode resultar em um tempo de preparação significativamente maior.
NOTA: O experimento pode ser pausado aqui e continuado mais tarde. A solução preparada pode ser armazenada em um recipiente selado por um período prolongado. Reaqueça e misture a solução armazenada antes de começar a usá-la novamente (misturar a 70 °C por 1 hora é tipicamente suficiente). - Corte um pedaço de tecido (por exemplo, tecido de seda ou fibra de vidro) usando uma tesoura.
NOTA: Têxteis com composição de fibras inertes, como a fibra de seda ou de vidro, funcionam melhor porque os solventes da solução de membrana não os dissolvem. No entanto, é aconselhável realizar um teste de solvente antes de usar qualquer tecido. Tecidos leves são preferidos porque esses tecidos influenciam menos a atuação do composto final. No vídeo, usamos tecido de seda (11,5 g/m2). - Aperte e estice o tecido em uma moldura.
- Corte qualquer tecido em excesso usando uma tesoura e remova cuidadosamente as fibras soltas à mão.
- Enquanto trabalha sob a capa de fumaça, cubra o tecido com uma fina camada de solução de membrana usando um pincel.
- Deixe a camada secar completamente. Uma pistola de ar quente em baixa velocidade sozinho primeiro e depois, juntamente com uma configuração dedicada (ver Figura 5 para detalhes) pode ser usada para acelerar o processo de evaporação do solvente.
NOTA: O uso de uma taxa de giro muito alta com a configuração dedicada em uma membrana relativamente úmida pode causar deformações às camadas de membrana e pode resultar na perda de material de membrana. - Depois que a camada secar, inspecione o composto contra a luz de fundo em busca de orifícios. Um microscópio também pode ser usado para este fim.
- Se houver orifícios na membrana, aplique outra camada de revestimento repetindo os passos 1.5.8. e 1,5,9.
- Alternar entre os lados do têxtil ao aplicar a solução de membrana para garantir que o reforço (ou seja, o plano neutro) permaneça no meio da membrana (veja a imagem SEM na Figura 3D que mostra fibras têxteis posicionadas no meio da camada de membrana).
NOTA: Os solventes na solução de polímero dissolvem lentamente as camadas previamente aplicadas. Portanto, adicione camadas de membrana subseqüentes com extrema cautela para evitar danos à membrana já aplicada. Aplique camadas o mais finas possível e nunca ultrapasse superfícies molhadas duas vezes. - Uma vez obtida uma membrana livre de defeitos, verifique sua espessura final usando um medidor de parafuso de micrômetro. Normalmente, pelo menos três camadas precisam ser aplicadas, resultando em uma membrana de cerca de 50 μm de espessura.
- Deixe a membrana acabada pós-seca sob a coifa por pelo menos 24 horas.
NOTA: O experimento pode ser pausado aqui e continuado mais tarde com a pulverização dos eletrodos. No entanto, é aconselhável proteger a membrana preparada contra partículas de poeira durante a secagem.
- Em um frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 2 g de fluoreto de polivinilideno (PVDF), 2 g de líquido iônico (por exemplo, [EMIM][OTf]), 4 mL de carbonato de propileno (PC) e 18 mL de N,N-dimetiltamide (DMAc).
2. Fazer os eletrodos
NOTA: A suspensão do eletrodo consiste na solução de eletrodos A (uma solução de polímero) e na suspensão do eletrodo B (contendo o pó de carbono e o eletrólito) que são preparados separadamente e depois misturados para obter a suspensão final. O solvente selecionado para a suspensão do eletrodo não dissolve os reforços de membrana inerte ou PVDF que é usado na configuração da membrana com reforço têxtil. Portanto, o risco de danificar a membrana já obtida durante a adição de eletrodos é mantido ao mínimo.
- Preparando a solução de eletrodo A
- Em um frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 2 g de poli (vinilidene fluoreto-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP) e 24 mL de 4-metil-2-pentano (MP).
ATENÇÃO: A MP é inflamável e extremamente tóxica. Use uma capa de fumaça e equipamentos de proteção pessoal. - Adicione uma barra de agitador magnético e feche o frasco com uma rolha.
- Sele o frasco com filme de extensão de laboratório à base de polietileno.
- Mexa a solução a uma velocidade média a 70 °C usando um agitador magnético e uma placa de aquecimento controlada pela temperatura até que o polímero tenha dissolvido completamente, tipicamente durante a noite.
NOTA: O protocolo pode ser pausado aqui. A solução preparada pode ser armazenada em um recipiente fechado e selado por um período prolongado. Se a solução se transformar em gel, reaqueça (até 70 °C) e misture-a antes de usá-la na Etapa 2.3. Não é necessário adicionar mais solvente. Normalmente, as quantidades nesta receita produzem cerca de 150 cm2 de material ativo (espessura composta final cerca de 150 μm). Isso corresponde a dois lotes de bordados de 10 cm de diâmetro.
- Em um frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 2 g de poli (vinilidene fluoreto-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP) e 24 mL de 4-metil-2-pentano (MP).
- Preparando a suspensão do eletrodo B
- Em outro frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 1,75 g de carbono (por exemplo, carbono derivado de carboneto do TIC ou precursor B4C), 2 g de líquido iônico (por exemplo, [EMIM][OTf]) e 10 mL de MP.
ATENÇÃO: Efeitos de carga eletrostática indesejáveis podem dificultar muito a pesagem do pó de carbono. Use calçado dissipativo estático durante a pesagem para reduzir o acúmulo de eletricidade estática. Além disso, use equipamentos de proteção individual para evitar a inalação de partículas de carbono fino. - Misture a suspensão em um vaso fechado em temperatura ambiente por pelo menos 1h usando um agitador magnético. Alternativamente, a sonda ultrassônica já pode ser usada nesta etapa (ver Passo 2.3.4)
NOTA: O experimento pode ser pausado aqui, e a suspensão B pode ser armazenada ou misturada em um vaso fechado e selado por um período prolongado antes de misturá-lo com a solução A para obter a suspensão final do eletrodo.
- Em outro frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 1,75 g de carbono (por exemplo, carbono derivado de carboneto do TIC ou precursor B4C), 2 g de líquido iônico (por exemplo, [EMIM][OTf]) e 10 mL de MP.
- Preparando a suspensão final do eletrodo
- Certifique-se de que o polímero na solução A está completamente dissolvido inclinando o frasco ligeiramente para detectar quaisquer pelotas de polímero não dissolvidas (ou peças) e que a solução está em forma viscosa, mas líquida. Se não, mexa a 70 °C antes de continuar com o próximo passo.
- Despeje a solução de eletrodo A (a solução de polímero) no frasco contendo a suspensão do eletrodo B (carbono, líquido iônico, solvente).
- Use um extra de 10 mL de MP para enxaguar qualquer material restante das paredes do frasco A e despeje-o para a suspensão final no frasco B.
- Submergir a sonda ultrassônica na suspensão final, definir o ciclo para 0,5 (pulsos) e homogeneizar a suspensão sob a capa de fumaça por uma hora. Evite o contato entre a sonda e as paredes do vaso de vidro. Alternativamente, se não houver sonda ultrassônica disponível, pode ser usada a mistura com um agitador magnético durante várias horas até a noite em um vaso selado.
NOTA: O experimento pode ser pausado aqui, e a suspensão final do eletrodo pode ser armazenada ou misturada em um vaso fechado e selado por um período prolongado.
- Pulverizando os eletrodos
NOTA: Um aerógrafo Iwata HP TR-2 é usado aqui para preparar os eletrodos. No entanto, outros tipos de pistolas de pulverização e sistemas de pulverização automática industrial poderiam ser usados alternativamente.- Cubra as paredes do capô com papel pesado e fita adesiva para facilitar a limpeza depois. Não cubra a área de adissinário. Mantenha a tampa da tampa da tampa da tampa da fumaça o mais baixo possível durante a pulverização.
- Conecte o aerógrafo à fonte de ar comprimido e ajuste a pressão (aqui, são utilizadas conexões padrão e pressão de 2 barras).
NOTA: A pressão deve ser suficiente para carregar a suspensão, mas não muito alta para danificar a membrana. - Encha o reservatório da escova de ar com acetona (ou qualquer outro solvente compatível) e teste a pulverização em um pedaço de papel ou papelão primeiro para verificar se a escova de ar está limpa e livre de bloqueios.
- Verifique se a suspensão do eletrodo preparada na Etapa 2.3 está em forma líquida inclinando o frasco. Em alguns casos, pode se transformar em um gel se armazenado por um longo período. Reaqueça-o a 70 °C enquanto mistura com uma barra de agitador magnético usando uma placa de aquecimento controlada pela temperatura para transformá-lo em um líquido novamente. Não é necessário adicionar mais solvente.
- Despeje a suspensão do eletrodo do frasco erlenmeyer no reservatório limpo da escova de ar.
- Teste o fluxo de suspensão em um pedaço de papel primeiro. Em seguida, passe para cobrir a membrana preparada.
- Comece a mover a escova de ar antes de começar a pulverizar. Borrife a uma distância de cerca de 20 cm e segure a escova de ar perpendicular à membrana. Mantenha a escova de ar movendo-se em traços retos e controlados para cobrir toda a membrana.
- Observe o número de voltas necessárias para cobrir um lado da membrana, ou, alternativamente, monitorar o volume de suspensão adicionado ao reservatório para garantir espessuras de eletrodos iguais em ambos os lados da membrana.
- Deixe o eletrodo de um lado da membrana secar sob a coifa. Uma pistola de ar quente pode ser usada para acelerar o processo de secagem, se necessário (ver Passo 1.5.9).
- Aplique o segundo eletrodo do outro lado da membrana repetindo as etapas 2.4.7 a 2.4.9.
- Cubra os dois lados da membrana várias vezes até que a espessura composta desejada seja atingida (aqui a espessura total final foi de cerca de 150 μm). Monitore a espessura do composto seco usando um medidor de parafuso de micromedidor.
NOTA: O experimento pode ser pausado aqui. O composto seco pode ser armazenado em um saco zip-lock por um período prolongado antes de anexar os coletores de corrente de ouro na Etapa 3.
3. Anexação dos coletores de corrente de ouro
- Preparando a solução de cola
NOTA: Esta solução pode ser preparada com antecedência juntamente com a suspensão do eletrodo (e solução de membrana). Certifique-se de reaquecer a cola antes de usá-la para torná-la menos viscosa.- Em um frasco erlenmeyer de 100 mL, misture 2 g de PVDF-HFP, 2 g de líquido iônico (por exemplo, [EMIM][OTf]), 4 mL de PC e 40 mL de MP.
- Adicione um agitador magnético, feche o frasco e sele-o com filme de extensão de laboratório à base de polietileno.
- Deixe a solução mexer a 70 °C em uma placa de aquecimento controlada pela temperatura até que o polímero tenha dissolvido, normalmente durante a noite.
- Anexando o coletor atual ao composto de carbono (um lado)
- Remova suavemente o material do atuador preparado no Passo 2 do quadro.
- Corte uma peça de 4 cm x 3 cm usando uma régua e um bisturi. Se uma membrana com reforço têxtil foi usada, alinha o corte com as fibras (visíveis das bordas do material composto).
NOTA: O tamanho sugerido de corte é mais conveniente para lotes de pequeno a médio porte. No entanto, não é crucial para a obtenção de atuadores de trabalho. - Pegue um tubo de metal (aqui d = 3 cm) e fixar firmemente a peça de corte nele usando fita adesiva. Tente sobrepor apenas cerca de 1 mm do material do atuador com fita para evitar o desagravo do material ativo.
NOTA: O material do tubo ou seu revestimento deve suportar solventes utilizados na solução de cola. A composição exata não é crucial para a obtenção de atuadores de trabalho. Materiais que conduzem bem calor (por exemplo, metais) podem ser benéficos para acelerar o processo de secagem. No entanto, tubos ou tubos de cerâmica ou polímero também podem ser adequados. - Com uma tesoura, corte 4 cm x 4 cm em pedaços de ouro no papel de transferência e coloque uma das peças em um papel de tecido.
NOTA: Colocar as folhas de ouro no papel de transferência em uma superfície mais suave é crucial para obter coletores de corrente de boa qualidade. - Prepare uma estação de "encaixe" para a pistola de pulverização, onde ela possa ser armazenada de forma rápida e segura na posição vertical. A cola começará a secar assim que a pulverização for interrompida e, portanto, é crucial que não haja atrasos na aplicação dos coletores de corrente de ouro.
- Enquanto estiver trabalhando sob a capa de fumaça, pulverize a solução de cola do Passo 3.1.3 no material do atuador que foi fixado em um tubo (Passo 3.2.3).
- Enrole o tubo sobre a folha de ouro (Passo 3.2.4) enquanto a cola ainda está molhada. Não é necessário pressão excessiva para rodar.
- Remova o papel de transferência e role novamente o papel de tecido para ter certeza de que o ouro está devidamente preso.
- Coloque o material sob uma luz infravermelha (IR) (distância de 10 a 15 cm) ou em um forno a vácuo (maior vácuo possível à temperatura ambiente) para secar por cerca de 20 a 30 minutos.
- Se o coletor atual não se acoplado corretamente ou houver alguns defeitos maiores, repita as etapas 3.2.3 a 3.2.9 para adicionar uma segunda camada uma vez que a primeira camada tenha secado para obter um coletor de corrente completamente livre de defeitos.
- Anexando o coletor atual do outro lado do composto.
- Retire suavemente a fita e solte o material do tubo.
- Limpe o tubo com acetona e papel de tecido para remover qualquer resíduo de cola e ouro.
- Fixar novamente o material do atuador no tubo com o lado revestido de ouro voltado para o tubo.
- Repita as etapas 3.2.3 a 3.2.10 para prender o coletor atual do outro lado do material também.
- Remova cuidadosamente o composto acabado do tubo e deixe-o pós-seco sob o capô de fumaça por pelo menos 24 horas.
NOTA: Proteja o material contra partículas de poeira. Após a secagem, o material pode ser armazenado em um saco de fecho. Deixando a amostra secar no tubo a temperaturas elevadas por um período prolongado (várias horas a dias) termoforma o atuador e, portanto, deve ser evitada a menos que a termoformação seja o objetivo.
4. Cortar, moldar, fazer contato e caracterizar os atuadores
- Cortando o atuador
- Use um bisturi afiado (e uma régua de metal) para cortar o atuador na forma desejada. Corte sempre todos os lados do material para evitar curto-circuitos causados pelo excesso de ouro nas laterais do atuador.
NOTA: Não é aconselhável cortar o material usando uma tesoura, pois isso pode deformar o material e causar curtos-circuitos nas laterais da amostra.
- Use um bisturi afiado (e uma régua de metal) para cortar o atuador na forma desejada. Corte sempre todos os lados do material para evitar curto-circuitos causados pelo excesso de ouro nas laterais do atuador.
- Moldando o atuador (por exemplo, em um gripper)
NOTA: A forma deste material composto polimérico pode ser facilmente alterada de um laminado plano para algo mais avançado para aplicações mais interessantes. Dependendo da configuração desejada, pode ser necessário anexar os contatos primeiro.- Pegue o atuador de corte e coloque-o em um molde (por exemplo, em um pequeno frasco de vidro, como mostrado no vídeo).
- Coloque a amostra em um forno por pelo menos 1 hora e aqueça a 60 °C.
- Usando o atuador
NOTA: No vídeo, mostramos contatos magnéticos personalizados e clipes Kelvin modificados para fazer contato. Em ambos os casos, as placas de ouro 24k são o único material em contato direto com o atuador.- Fixar o atuador entre contatos eletroquimicamente não reativos (por exemplo, ouro).
NOTA: A pressão de contato deve ser suficiente para obter contato elétrico confiável, mas não muito alto para causar deformações permanentes. - Aplique a tensão da etapa (ou corrente) ou use sinais de controle mais complicados para controlar o atuador. Normalmente, tensões de passo de ±2 V ou menos têm sido usadas para conduzir este tipo de atuadores. Consulte o Ref24 para obter mais informações sobre considerações de controle do atuador.
- Grave simultaneamente a atuação usando um medidor de deslocamento a laser ou uma câmera de vídeo.
- Fixar o atuador entre contatos eletroquimicamente não reativos (por exemplo, ouro).
- Crio-fraturapara imagem SEM (atuadores baseados em PTFE)
NOTA: Quebrar as amostras depois de congelá-las em nitrogênio líquido é a abordagem preferida para obter seções transversais limpas durante a imagem sem.
ATENÇÃO: Nunca feche bem a tampa de um recipiente de nitrogênio líquido. O acúmulo de pressão e sua liberação subseqüente podem causar ferimentos graves. Além disso, o nitrogênio líquido ferve a -196 °C, por isso deve-se tomar cuidado também para evitar lesões devido às baixas temperaturas.- Despeje nitrogênio líquido em um recipiente isolante térmico (por exemplo, um copo de espuma descartável)
- Primeiro, coloque a amostra e, posteriormente, as ferramentas metálicas em nitrogênio líquido e deixe a amostra congelar por cerca de 1 min.
NOTA: O resfriamento de ferramentas metálicas (por exemplo, um bisturi ou uma pinça) é aconselhável para evitar qualquer possível delaminação devido a diferenças de temperatura. No entanto, as ferramentas precisam de tempos de resfriamento mais curtos do que o composto polimérico graças à melhor condutividade térmica dos metais. Além disso, ferramentas metálicas muito profundamente resfriadas podem ser impossíveis de manusear. - Pegue a amostra congelada com dois conjuntos de pinças resfriadas e quebre-a.
- Crio-fraturapara imagem SEM (atuadores reforçados com têxteis).
NOTA: Atuadores reforçados com têxteis (especialmente se a fibra de vidro for usada) podem não quebrar mesmo no estado congelado. Seções transversais limpas podem ser obtidas cortando usando uma lâmina resfriada.- Congele o atuador e um bisturi em nitrogênio líquido (veja a nota na Etapa 4.4.2).
- Coloque a amostra congelada em uma superfície de corte antiaderente (por exemplo, um bloco de PTFE) e corte o material do atuador usando o bisturi refrigerado.
Representative Results
O ponto final principal para distinguir entre um experimento bem sucedido e um experimento fracassado é a resposta do material a sinais elétricos depois de ser contatado a uma fonte de alimentação. Na engenharia elétrica, o cobre é um material bem conhecido para fazer contato. No entanto, o cobre também é eletroquimicamente ativo e, portanto, não é adequado para fazer contato com um sistema iônico introduzido aqui. O uso de contatos de cobre pode causar curtos-circuitos devido à formação de dendritos através do composto. Além disso, em caso de caracterização material, é impossível distinguir entre correntes (e atuação) decorrentes do material eletroativo e que prossegue a atividade eletroquímica do cobre29. Já mostramos anteriormente que a atuação – embora não confiável – sem qualquer material ativo adicionado (ou seja, sem os eletrodos de polímeros à base de carbono ou condutivo) é possível em caso de membranas ionômeras úmidas (por exemplo, Nafion) e apenas terminais de cobre29. Portanto, todos os experimentos com o material ativo aqui foram realizados apenas usando contatos de ouro inerte.
Espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS) é um método não destrutivo para caracterização e solução de problemas do material atuador capacitivo antes do uso. Os espectros de impedância na Figura 4C e 4D foram capturados utilizando um potenciostot/galvanosstat/FRA na configuração de dois eletrodos. A amostra (20 mm x 4 mm x 150 μm) foi colocada entre os contatos de ouro, a amplitude do sinal de entrada durante a medição de impedância foi definida para 5 mVRMS e as frequências de 200 kHz a 0,01 Hz foram digitalizadas. A Figura 4C e 4D mostram os espectros típicos de impedância de atuadores com alta (~300 Ω cm2) ou com baixa resistência interna (~5 Ω cm2),respectivamente. Os espectros foram registrados utilizando-se uma amostra com a membrana PTFE seca e outra amostra com a membrana encharcada, respectivamente. Maior condutividade iônica através do material tende a corresponder a atuadores mais rápidos e possivelmente também mais deslocamento na mesma freqüência de atuação (ver Figura 4B),se todos os outros parâmetros (por exemplo, parâmetros mecânicos) forem mantidos inalterados e o material em geral estiver ativo.
A natureza não destrutiva do EIS é especialmente benéfica para a detecção de curtos-circuitos no composto. No caso de atuadores preparados seguindo o protocolo atual, os curtos-circuitos são mais frequentemente causados por detritos coletores atuais nas laterais do atuador (ver instruções de corte na Etapa 4.1.1) ou mais raramente por uma membrana defeituosa (por exemplo, quando não cobre todos os orifícios na membrana têxtil reforçada como instruído na Seção 1.5). Um resistor (neste caso um curto-circuito) seria apresentado como um pontilhado no enredo de Nyquist de um experimento do EIS. Observar tal resposta é um certo indicador de uma amostra defeituosa (ver Figuras 4C e 4D para espectros de referência de atuadores capacitivos funcionais). Amostras de curto-circuito normalmente não atuavam. Além disso, estes seriam mais frequentemente tornados permanentemente inúteis devido ao aquecimento resistivo e ao derretimento resultante do composto quando tentado atuar.
Em sua forma funcional, este material é um capacitor de dupla camada que mostra movimento de dobra em resposta ao carregamento e descarga da camada dupla graças a eletrólitos especificamente adaptados usados em sua fabricação. Voltammetria cíclica (CV) é uma técnica amplamente utilizada em eletroquímica para estudar diferentes sistemas. Durante um experimento cv, o potencial do eletrodo de trabalho (neste caso um dos eletrodos do atuador) é variado em relação a um eletrodo contra (aqui o outro eletrodo do atuador) com velocidade constante (por exemplo, 800 mV/s entre ±2 V) e a resposta atual do sistema é registrada usando um potenciostatito. Uma resposta corrente típica do laminado capacitivo é apresentada na Figura 4E. A resposta atual da amostra com a membrana PTFE encharcada (em cinza escuro em 4E) se assemelha à de um capacitor ideal: a corrente não depende do potencial do eletrodo e ao inverter o potencial, a direção atual (e, portanto, seu sinal) é alterada (quase) imediatamente, resultando em um voltammograma retangular (quase) retangular. A resposta atual da amostra com uma membrana inicialmente seca (em rosa em 4E) mostra menos comportamento de capacitor ideal a esta taxa de varredura, provavelmente devido à alta resistência interna do material (como também evidenciado pelo EIS na Figura 4C). Ainda assim, ambas as amostras mostram a natureza capacitiva do composto. Por outro lado, linhas cinzentas claros na Figura 4E mostram possíveis comportamentos de amostras defeituosas (por exemplo, de curto-circuito) que seguiriam de perto a lei do Ohm.
O desempenho de diferentes atuadores funcionais é apresentado na Figura 4A e Figura 4B. A Figura 4A mostra instantâneos do vídeo onde um atuador termoformado de 5 dedos segura, segura e libera um objeto em forma aleatória em resposta aos passos de tensão. Geometrias mais simples são tipicamente usadas para fins de caracterização do material. Por exemplo, a Figura 4B destaca o ângulo máximo de dobra dos atuadores de membrana PTFE seco e encharcado28,30 em resposta a sinais de tensão triangular entre ±2 V. Para caracterizar diferentes materiais atuadores, foram colocadas amostras (4 mm x 20 mm x 150 μm) entre grampos dourados na posição cantilever (deixando 18 mm de comprimento livre para atuação) e o ângulo de dobra foi gravado por meio de uma câmera de vídeo. Alternativamente, o movimento de um único ponto ao longo do atuador (por exemplo, 5 mm dos contatos) tem sido tipicamente monitorado no tempo e utilizado nos cálculos de diferença de tensão31,32. O processamento de vídeo, embora mais complicado, fornece mais informações sobre todo o perfil de dobra da amostra e também permite reanalisar o desempenho posteriormente, se tal necessidade surgir. O ponto de 0,1 Hz na Figura 4B corresponde exatamente ao mesmo sinal usado nos experimentos de voltammetria cíclica da Figura 4E,tanto em termos de tensão de atuação quanto de frequência de atuação. Usar o mesmo sinal para caracterização e atuação nos permite, por exemplo, tirar conclusões sobre a natureza capacitiva do material e sobre a estabilidade e falta de reações eletroquímicas durante a atuação.
Métodos eletroquímicos (EIS, CV), visualização da estrutura do atuador no nível (tipicamente) do micrômetro (SEM) e caracterização de deslocamento são os métodos mais comuns para caracterizar atuadores iônicos e avaliar o sucesso do processo de fabricação. No entanto, experimentos personalizados para avaliar o desempenho do atuador em um aplicativo mais específico são frequentemente desenvolvidos para avaliar o desempenho específico do aplicativo (por exemplo, a capacidade de carregar uma carga).
Figura 3: Imagem. Micrografiaeletrônica de varredura mostrando a membrana PTFE altamente porosa(A)e uma seção transversal de um atuador feito usando a mesma membrana não mostrando delaminação(C). Micrografo SEM mostrando uma seção transversal de um atuador reforçado com têxteis(D)e uma fotografia óptica do reforço de seda correspondente(B). As amostras para seções transversais sem foram primeiramente criofraturadas usando nitrogênio líquido, montadas em um suporte de amostra metálica e, em seguida, sputtered com 5 nm de ouro para melhor definição usando um coater sputter. Um microscópio eletrônico de varredura de mesa foi usado para imagens com tensão de aceleração de 15 keV. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Resultados representativos do atuador. (A) Etapas de tensão e imagens correspondentes do aperto de cinco braços que agarram um objeto com forma aleatória (atuador sem contatos 21 mgs; carga de espuma de poliestireno 17,8 mgs); (B) ângulo de dobra total de 4 mm x 20 mm x 150 μm atuadores baseados em PTFE fixados entre contatos dourados (18 mm de comprimento livre) em resposta a um sinal de atuação triangular (±2 V) em diferentes freqüências de atuação (n=3, barras de erro representam um desvio padrão da média); (C e D) espectrotípico de impedância eletroquímica dos laminados capacitivos eletromecânicos ativos (amplitude de sinalRMS de 5 mV); (E) voltammetria cíclica típica dos laminados capacitivos (sinal de atuação triangular utilizando velocidade de varredura de 800 mV/s que corresponde aos pontos de 0,1 Hz em B). Linhas cinzentas nos voltammogramas cíclicos são para comparação e mostram resposta de um potencial atuador defeituoso (essencialmente um resistor) que seguiria de perto a lei do Ohm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Secagem de spin durante a preparação da membrana. (A) esquemas da configuração(B)da configuração com um quadro com reforço ligado. Durante a secagem do giro, a força centrífuga direciona o solvente residual na camada de membrana em direção à borda da estrutura. Isso pode ser benéfico para acelerar o processo de secagem. No entanto, em caso de membranas completamente úmidas, isso pode resultar na perda de material ativo (polímero e líquido iônico) e, portanto, deve ser evitado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Discussion
Apresentamos um método de fabricação simples, rápido, repetitivo e versátil para preparação composta eletromecanicamente ativa iônica para diversas aplicações atuadoras, e com pequenas modificações também para armazenamento de energia, colheitade 33 ou sensoriamentode 34 aplicações. O método atual concentra-se em membranas com um componente integral passivo e quimicamente inerte (por exemplo, uma rede de polímeros reforçados têxteis ou uma membrana de Teflon altamente porosa, veja também a Figura 3) porque tais membranas simplificam significativamente o processo de preparação do atuador também em larga escala. Além disso, as membranas resultantes têm menor risco de inchaço e fivela devido a solventes (ou eletrólitos) na suspensão de eletrodos ou de formação de hotspot de curto-circuito em comparação com muitos outros métodos e materiais comuns de fabricação de atuadores.
Os passos críticos na preparação do laminado do atuador capacitivo são a preparação da membrana, a fabricação de eletrodos, o acessório de coletor atual, o corte e o contato(Figura 2). Cada uma dessas etapas abre espaço para personalização e otimização de desempenho, mas também para erros. Na seção a seguir discutiremos as modificações benéficas e as estratégias de solução de problemas deste método de fabricação com mais detalhes. Um composto de alto desempenho resulta da interação de vários aspectos-chave que precisam ser mantidos em mente: condutividade eletrônica suficiente ao longo do eletrodo (adicionar coletor de corrente de ouro a eletrodos de carbono); condutividade iônica suficiente através da membrana (utilizar uma membrana porosa fina e quantidade suficiente de eletrólito de baixa viscosidade, reduzir o risco de interações desfavoráveis entre a membrana e o eletrólito usando uma rede de polímeros inertes); área de superfície alta do eletrodo (selecione um tipo de carbono adequado); eletrólitos personalizados que resultam em inchaço/contração assimétrico dos eletrodos (selecione um eletrólito adequado); parâmetros mecânicos (moduli de Young dos componentes). Estes principais aspectos de um atuador baseado em carbono de alto desempenho também são destacados na Figura 1B.
Uma membrana de alto desempenho é a parte central deste composto. Tem duas tarefas: prevenir a condutividade eletrônica (curtos-circuitos) entre os eletrodos, permitindo alta condutividade iônica. Modificações na membrana podem servir a vários propósitos, por exemplo, integração de ferramentas introduzidas por Must et al.24 ou a adição de novas propriedades (por exemplo, biocompatibilidade, biodegradabilidade ou diferentes propriedades mecânicas). O método de fabricação atual poderia ser modificado para usar outros polímeros e eletrólitos na membrana para introduzir novas propriedades ao laminado ativo. Como a estratégia de seleção de solventes introduzida aqui para os atuadores reforçados com têxteis, é aconselhável selecionar solventes mais pobres para a fabricação subsequente de eletrodos em comparação com a preparação da membrana. Isso garante que a membrana permaneça funcional e intacta também após a adição de eletrodos.
O desempenho de atuação do composto final é influenciado pelo material eletrodo selecionado (carbono), pelo eletrólito e possivelmente sua compatibilidade uns com os outros. Este protocolo introduz a fabricação de laminados capacitivos à base de carbono usando carbono derivado de carboneto de boro e 1-etil-3-metilimidazolium trifluorometanosulfonato ([EMIM][OTf]) líquido iônico. No entanto, o mesmo protocolo é adaptável a outros materiais de carbono de alta área de superfície, como carbonos derivados de carboneto de outras fontes (por exemplo, TiC35, SiC ou Mo2C36), nanotubos de carbono8,37,aerogel de carbono38 ou grafeno39, e outros, como também revisado recentemente40. Além disso, também outros eletrólitos poderiam ser usados na preparação do atuador. A obtenção de um composto funcional não se limita aos tipos de carbono e líquido iônico apresentados neste protocolo. O tamanho das partículas de carbono, sua possível aglomeração na suspensão do eletrodo e a viscosidade da suspensão são parâmetros mais cruciais para o processo de revestimento de spray.
Este método permite a produção de material laminado eletromecanicamente ativo com propriedades reprodutíveis em grandes quantidades. A miniaturização dos atuadores feitos deste material é realizada principalmente utilizando-se corte de alta precisão (por exemplo, Figura 3C). Métodos alternativos para a preparação de estruturas finas, como mascaramento e padronização são possíveis durante o revestimento de spray41. Além disso, estruturas em escala milimétrica também podem ser padronizadas na etapa subsequente de fixação do coletor de corrente de ouro. No entanto, em escala sub-milimétrica isso pode se tornar bastante difícil. Outros tipos de atuadores ou atuadores à base de carbono sem coletores de corrente de ouro podem ser mais fáceis de preparar, se as características padronizadas devem estar na escala de micrômetros.
Atuadores intrinsecamente macios que respondem a estímulos elétricos têm muitas vantagens graças à sua natureza suave e compatível, operação silenciosa e baixos níveis de tensão necessários. O protocolo atual mostra como produzir esse material em grandes quantidades e com alta repetibilidade de lote a lote e dentro do lote sem comprometer o desempenho de atuação. Modificações no método atual para incorporar componentes mais bio-amigáveis e possivelmente também biodegradáveis que permitiriam a operação perto ou dentro de organismos vivos, além de abordagens de encapsulamento total bem-sucedidas, e a integração do material ativo introduzido em dispositivos robóticos ou biomédicos macios são previstas para o futuro.
Disclosures
Os autores não têm nada para revelar.
Acknowledgments
Os autores gostariam de agradecer a Ron Hovenkamp e Marcel Mulder da Philips Research por discussões úteis. Este trabalho foi parcialmente apoiado pelo financiamento de pesquisa institucional IUT (IUT 20-24) do Ministério da Educação e Pesquisa da Estônia, pelo Subsídio do Conselho de Pesquisa da Estônia (PUT1696), pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional, pelo programa Mobilitas Pluss (Subvenção No MOBTP47), pelo programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia sob o acordo de subvenção Marie Skłodowska-Curie nº 793377 (BIOACT), e pelo projeto IMPACT-MII , um projeto de inovação da EIT Health. O EIT Health é apoiado pelo EIT, um órgão da União Europeia.
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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