最新《AFM》:用于电化学装置的有机半导体纳米管

离子在生物体的生命中起着关键作用，特别是神经信号转导，因此软离子致动器在仿生技术中引起了广泛的关注。通过可逆的离子插入和脱插入电活性层，对外加电压(低于1v和高达数伏)产生驱动变形。这种驱动器已经在软机器人、人工肌肉、自动聚焦透镜和生物医学设备的各种应用中进行了深入研究。通过电化学过程将电能转化为机械能的电化学装置有许多应用，从机器人、微泵到微透镜和生物电子学。

到目前为止，实现大变形应变和快速响应仍然是电化学执行器的挑战，其中一组作动器是气动电化学作动器，它由一个半透性离子导电聚合物膜夹在两个电活性层之间组成这类驱动器通常使用导电碳纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、和石墨二炔材料科学和制造技术的最新进展使耐用和轻便的空气工作电化学执行器能够产生大应变和快速响应然而，这些驱动器大多数是由多种电活性材料组成，因此，需要相当复杂的制造过程。

鉴于此，美国休斯顿大学Mohammad Reza Abidian教授团队报道了由有机半导体(OSNTs)制成的电化学执行器、电化学传质和电化学动力学的研究结果。该OSNTs装置在液体和凝胶聚合物电解质中表现出快速离子传输和积累的高性能。该装置表现出令人印象深刻的性能，包括低功耗/应变，大变形，快速响应，卓越的驱动稳定性。这种优异的性能源于纳米管巨大的有效表面积，有利于离子传输和积累，从而产生高电活性和耐久性。利用运动和质量输运的实验研究和变质量系统的理论分析，建立了装置的动力学，并引入了改进的欧拉-伯努利方程。最后，展示了一种由多个微驱动器组成的具有潜在生物医学应用潜力的先进微型设备，这项工作为下一代驱动器提供了新的机会，可用于人工肌肉和生物医学设备。

文章亮点：

1、在本工作中，首次设计和开发了一种新的、通用的设计和开发电化学器件的方法，以OSNTs为主要成分，能够在液体和凝胶聚合物电解质中操作。该器件表现出优异的电化学特性，包括低功耗/应变、大变形、快速离子传输/积累、可调谐动力学和卓越的驱动稳定性。

2、该器件具有低功耗/应变(0.5 mW cm-2%-1)、大变形(位移7.88 mm;应变率3.35%)、响应速度快(速度1280 µm s-1;时间<1 s)，并具有良好的驱动稳定性(连续运行25 h后的驱动稳定性为96.5%)。

3、基于这些显著的特性，成功地构建了一个微型器件，由多个基于OSNTs的微执行器组成，可以同时单独控制，本研究为新一代微纳米级致动器的高性能电化学器件设计提供了有效途径。

4、预计基于OSNTs的电化学器件将用于在软机器人、人工肌肉、生物电子学和生物医学设备领域的下一代驱动器的发展。

图1:OSNTs器件的制备与表征

图2:循环伏安法对OSNTs器件的电化学驱动

全文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105358

名称：材料科学前沿

ID：MaterialFrontiers

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