Tijdens fotosynthese, natuurlijke bladeren met uitgebreide architecturen en functionele componenten kunnen zonne-energie oogsten en omzetten in chemische brandstoffen die worden omgezet in energie. De biologische energieproductie heeft materiaalwetenschappers een nieuw bio-geïnspireerd paradigma gegeven om veel autonome systemen te produceren, inclusief door licht getriggerde beweging. In een recent rapport, Guofo Cai en medewerkers van de afdelingen Materials Science and Engineering, Astronautische Wetenschap en Mechanica, en Chemische Technologie, ontwikkelde een ongekende tweelaagse actuatorbasis op MXene (Ti ₃ C ₂ t _x )-cellulosecomposieten (MXCC) en polycarbonaat (PC) membranen.

Het apparaat bootst de verfijnde architectuur van een blad na en toonde energie-oogst- en conversiemogelijkheden die vergelijkbaar zijn met fotosynthese. De tweelaagse actuator bevatte zeer wenselijke functies, waaronder; multi-responsiviteit, aansturing met laag vermogen, snelle activeringssnelheid, vervorming in grote vorm, robuuste stabiliteit en programmeerbaar aanpassingsvermogen - zeer geschikt voor moderne, op zachte actuatoren gebaseerde slimme systemen. Cai et al. geloven dat deze adaptieve zachte systemen aantrekkelijk zullen zijn als revolutionaire technologieën om zachte robots te bouwen, slimme schakelaars, voor informatieversleuteling, infrarood dynamische weergave, camouflage en temperatuurregeling. Ze voorzien extra gebruik van de technologie om mens-machine-interfaces zoals haptiek te ontwikkelen. De studie is nu gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang .

Materiaalwetenschappers hebben materialen en apparaten bestudeerd die dynamisch van vorm veranderen, grootte en elektrische/mechanische eigenschappen als reactie op externe prikkels voor een verscheidenheid aan toepassingen. Dergelijke apparaten hebben belangrijke functies als actuatoren, kunstmatige spieren, in robotica, als energieopwekkers, sensoren en slimme gordijnen. Wetenschappers hebben aanzienlijke inspanningen geleverd om slimme actuatoren te ontwikkelen op basis van een verscheidenheid aan actieve materialen zoals koolstofnanobuizen en grafeen, vormgeheugenpolymeren, gels, geconjugeerde polymeren en vloeibare kristalelastomeren, evenals keramiek en legeringen.

Een verscheidenheid aan omgevingsprikkels zoals vochtigheid, temperatuur, elektriciteit, licht en pH kunnen fysieke veranderingen van deze materialen veroorzaken. Maar het is momenteel moeilijk om de activeringssnelheid en het opschalen van vormveranderingen te verbeteren vanwege de slechte mechanische en thermische instabiliteit die hun mogelijkheden beperken. Een slimme actuator bouwen die reageert op diverse prikkels zoals vochtigheid, elektriciteit, warmte of licht met snelle bediening, vervorming in grote vorm, programmeerbaar aanpassingsvermogen en robuuste stabiliteit is daarom zeer wenselijk. Om nieuwe en verbeterde materiaaleigenschappen te bouwen, de materiaalwetenschappers moeten daarom voorheen niet-geïdentificeerde combinatorische materialen onderzoeken en rationeel apparaatconfiguraties ontwerpen om krachtige actuatoren uit te vinden.

MXene (Ti ₃ C ₂ t _x ) die in het huidige werk wordt gebruikt, behoort tot een nieuwe familie van vloeibaar-kristallijne, tweedimensionale (2-D) metaalcarbiden met uitstekende elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en fotothermische conversie om multiresponsieve en potentieel hoogwaardige actuatoren te vormen. Er bestaat momenteel slechts één enkel voorbeeld van het gebruik van MXene als elektrochemische actuator. In het huidige werk, daarom, Cai et al. gericht op het gebruik van MXene als een multiresponsieve zachte actuator om blad-geïnspireerde, geavanceerde architectuur voor eenvoudige bediening, gekoppeld aan synergetische functionele componenten.

Geïnspireerd door de biologische architectuur en het fotosynthetische mechanisme van een natuurlijk blad, Cai et al. ontwierp een asymmetrische, tweelaagse zachte actuator met behulp van eenkristal, 2-D MXene nanosheets om elektrische of lichte energie te oogsten voor omzetting in thermische energie. Voor deze, ze gebruikten biocompatibel, cellulose-nanovezels om het aderskelet te vormen voor snelle bladachtige vormveranderingen naast polycarbonaat (PC) filtermembranen om de huidmondjes en opperhuid te vormen voor het inbrengen en extraheren van water naar of van de MXene-cellulosecomposieten (MXCC). De wetenschappers bevestigden de verhoogde absorptie van water in MXCC door de aanwezigheid van cellulose met behulp van Fourier Transform Infrared (FTIR) spectra. Met behulp van geselecteerde gebiedselektronendiffractie (SAED) patronen, ze ontdekten de aanwezigheid van MXene als een hexagonale structuur en enkele kristalliniteit zonder defecten op nanometerschaal.

De zachte actuator handhaafde een vlakke en niet-gerimpelde vorm onder omgevingsomstandigheden met relatieve vochtigheid, tijdens het buigen als reactie op toenemende/afnemende vochtigheid in de omgeving, die Cai et al. kwantitatief geanalyseerd. Ze merkten uitstekende prestaties van de actuator en regelbare buighoeken op bij verschillende vochtigheidsniveaus. De wetenschappers onderzochten vervolgens de elektrische aansturing van het apparaat door een MXene-cellulosestrip aan te sluiten op twee koperdraden. De buighoek nam bijna lineair af met toenemend elektrisch vermogen, terwijl de zachte actuator slechts een lage spanning nodig had om extreme activering te bereiken. In vergelijking met op vochtigheid gebaseerde bediening, de wetenschappers bereikten grotere buighoeken met elektrothermische activering.

De wetenschappers registreerden ook temperatuurvariaties en bindingshoeken van zachte actuatoren met behulp van nabij-infrarood (NIR) lichtbestraling. Ze observeerden opmerkelijke synergetische aandrijfbewegingen van het MXene / cellulose-composietmateriaal, in tegenstelling tot de slechte bediening van de afzonderlijke componenten. Op basis van de waargenomen optische absorptie, fotothermische conversie en elektrochemische activering, Cai et al anticiperen op het gebruik van deze samengestelde slimme zachte actuatoren in fotogevoelige functies.

Cai et al. verder onderzocht de foto-geïnduceerde mechanische krachten van het materiaal onder NIR-lichtbestraling op een mechanische analysator. Het activeringsproces van MXCC/PC was snel en omkeerbaar. De wetenschappers bestudeerden de structurele veranderingen van de MXCC/PC- en MXene/PC-actuatoren onder verschillende intensiteiten van verlichting met behulp van röntgendiffractie (XRD) metingen om het amorfe karakter van cellulose en pc-membraan aan te tonen. Ze onderzochten het mechanische gedrag met behulp van eindige-elementenmodelleringsmethoden (FEM) om het activeringsproces van het composietmateriaal beter te begrijpen. De modelleringsresultaten kwamen overeen met de experimentele resultaten in het onderzoek.

Om programmeerbaar activeringsgedrag aan te tonen, de wetenschappers ontwikkelden een reeks geavanceerde configuraties. Inclusief een dubbel opklapbare U-vormige actuator, trefoil boogvormige actuator en zelfbloeiende bloem waar de bloembladen openden en bloeiden vóór NIR-bestraling om snel te sluiten bij blootstelling aan NIR. Aanvullend, de wetenschappers verkenden een verscheidenheid aan slimme apparaten zoals wormachtige robots, slimme schakelaars, een coderingsapparaat evenals IR dynamische weergave en camouflage om het primaire concept uit te breiden. Verder, Cai et al. een slimme schakelaar geconstrueerd door kruisvormige MXCC op het pc-membraan te modelleren, die ze bestuurden met behulp van draadloos NIR-licht. Op basis van de principes, de wetenschappers vormden ook een open elektrisch circuit om een ​​smartwatch aan of uit te zetten met behulp van NIR-licht.

Voor gegevensversleuteling, op basis van de programmeerbare MXene-cellulose-inkt, Cai et al. ontwierp een gewenst patroon en bracht de informatie over door lokale verwarming met NIR-licht of elektriciteit. De informatie was alleen leesbaar met IR en onzichtbaar voor het menselijk oog, betere informatieversleuteling bieden dan machineleesbare streepjescodes en QR-codes. De mogelijkheid om verschillende functionaliteiten in één systeem te integreren om camouflage, weergave en bediening is belangrijk en nuttig in meerdere disciplines. Deze apparaten bevestigden de mogelijkheid om MXCC/PC-membranen te gebruiken voor meerdere functies in slimme zachte systemen, waaronder informatieversleuteling, camouflage en thermo-responsief gedrag.

De nieuwe composietmaterialen, rationeel ontwerp en goedkope fabricage geïntroduceerd in de studie, naast synthetische strategieën geïmplementeerd door de wetenschappers, zal de MXCC/PC-membraansystemen toegankelijk maken voor brede wetenschappelijke en technische gebieden. Op deze manier, Guofa Cai en collega's ontwikkelden en vestigden een nieuwe klasse van multiresponsieve materialen en apparaten met een ongekende integratie van meerdere eigenschappen geïnspireerd op multifunctionele biologische structuren.

De MXCC/PC-membraansystemen bootsten cruciale kenmerken van een natuurlijk blad na, van de microstructuur tot de fotosynthetische mogelijkheden, die energie-oogst en conversie omvatte. De dubbellaagse actuatoren vertoonden sterke eigenschappen, vergelijkbaar met state-of-the-art multiresponsieve actuatoren. De onderzochte materialen en geavanceerde systemen kunnen verder worden ontwikkeld om nieuwe mogelijkheden te creëren voor revolutionaire technologieën op het gebied van zachte robotica, informatie-encryptie en IR dynamische weergave.

© 2019 Wetenschap X Netwerk