De afwezigheid van piëzo-elektriciteit in silicium kan leiden tot directe elektromechanische toepassingen van het reguliere halfgeleidermateriaal. De geïntegreerde elektrische besturing van siliciummechanica kan nieuwe perspectieven openen voor on-chip actuatoren. In een nieuw rapport Manuel Brinker en een onderzoeksteam in de natuurkunde, materialen, microscopie en hybride nanostructuren in Duitsland, gecombineerde nanoporositeit op wafelschaal in monokristallijn silicium om een ​​composiet te synthetiseren die macroscopische elektrostrain in waterige elektrolyten aantoont. De spanning-rekkoppeling was drie ordes van grootte groter dan de best presterende keramiek. Brinker et al. traceerde de elektro-activering tot de gezamenlijke actie van een doorsnede van 100 miljard nanoporiën per vierkante centimeter en behaalde uitzonderlijk kleine bedrijfsspanningen (0,4 tot 0,9 volt) naast duurzame en biocompatibele basismaterialen voor biohybride materialen met veelbelovende bio-actuatortoepassingen. Het werk is nu gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang .

Ontwikkelen van polymeren met ingebouwde elektrochemische aandrijving

Elektrochemische veranderingen die optreden tijdens de oxidatie van het geleidende polymeer polypyrrool (PPy) kunnen het aantal gedelokaliseerde veranderingen in de polymeerruggengraat verhogen of verlagen. Wanneer ondergedompeld in een elektrolyt, het materiaal gaat gepaard met omkeerbare opname of uitzetting van tegen-ionen met macroscopische samentrekking en zwelling onder controle van de elektrische potentiaal om van PPy een van de meest voorkomende materialen te maken om kunstmatige spiermaterialen te ontwikkelen. In dit werk, Brinker et al. combineerde het actuatorpolymeer met een driedimensionale (3-D) steigerstructuur van nanoporeus silicium om een ​​materiaal te ontwerpen voor ingebedde elektrochemische activering. De nieuwe constructie bevatte een paar lichte en overvloedige elementaire bestanddelen, waaronder waterstof (H), koolstof (C), stikstof (N), zuurstof (O), silicium (Si) en chloor (Cl).

Tijdens het experiment, het team bereidde het poreuze silicium (pSi) membraan met behulp van een elektrochemisch etsproces van gedoteerd silicium in fluorwaterstofzuur. De resulterende poriën waren recht en loodrecht op het siliciumoppervlak. Met behulp van scanning elektronenmicroscopie profielen, Brinker et al. waargenomen een homogene monsterdikte. Vervolgens vulden ze het poreuze silicium (pSi) membraan met polypyrrool (PPy) door middel van elektropolymerisatie van pyrroolmonomeren. Polymeerkiemvorming en gedeeltelijke oxidatie van pSi verhoogden het open circuitpotentieel, wat leidde tot een constante afzetting van PPy in de poriën. De sterk asymmetrische poriën vormden een ketenachtige polymeergroei die de vertakking van het polymeer remde en leidde tot een lagere elektrische weerstand. Het team observeerde de resulterende composiet met behulp van transmissie-elektronenmicrofoto's (TEM) met energiedispersieve röntgenstraling (EDX) spectroscopiesignalen om homogene PPy-vulling van de willekeurige pSi-honingraatstructuur aan te geven.

Om de functie van het resulterende hybride materiaal te karakteriseren, Brinker et al. uitgevoerde dilatometrische metingen; een thermo-analytische methode om het krimpen of uitzetten van materialen te meten, in een in situ elektrochemische opstelling. Ze dompelden het monster onder in perchloorzuur en plaatsten het zo dat de poriën in een horizontale richting wezen. Het team plaatste vervolgens de kwartssonde van de dilatometer bovenop het monster om de lengte te meten, waarna ze het monster in contact met perchloorzuur brachten om elektrochemische activeringsexperimenten uit te voeren. Brinker et al. de elektrochemische kenmerken van het hybride systeem gemeten voor en tijdens dilatometrische metingen door cyclische voltammogrammen (CV's) op te nemen in het potentiaalbereik van 0,4 V tot 0,9 V. Het pSi-PPy-membraan vertoonde een capacitieve laadkarakteristiek voor de PPy, waar de stroom snel naar een constante waarde bewoog. Ze hebben geen hogere spanning toegepast, voorkomen van overoxidatie of gedeeltelijke vernietiging van het polymeer. Het onderzoeksteam registreerde de verandering van de steekproeflengte, voor gedetailleerde karakterisering van elektrochemische activering tijdens het opnemen van de CV's (cyclische voltammogrammen).

Stap-coulometrie

Brinker et al. voerde vervolgens stapcoulometrie uit om de activeringskinetiek en de hoeveelheid materie die tijdens een elektrolysereactie werd getransformeerd te analyseren door de hoeveelheid elektriciteit te meten die in de opstelling werd verbruikt of geproduceerd. De spanningsrespons van de experimentele opstelling was bijna een orde van grootte sneller dan het laad- en ontlaadproces. Twee effecten kunnen hebben bijgedragen aan de waarneming. Eerst, tijdens het experiment, het polypyrrool (PPy) heeft mogelijk zijn vloeigrens bereikt om plastische vervorming te veroorzaken. Het hele monster zal niet verder uitbreiden, ondanks de opname van tegenionen in het polymeer zoals opgemerkt door micromechanische analyse. Tweede, de diffusiebeperkingen hebben mogelijk de snellere overdracht van anionen naar de PPy belemmerd, een kinetische beperking ondersteund door moleculaire dynamica-simulaties. De wetenschappers modelleerden ook de micromechanische eigenschappen van de microstructuur geëxtraheerd uit de elektronenmicrofoto van hetzelfde materiaalgebied om het mechanisme van elektroactivering van het met PPy gevulde pSi-membraan te begrijpen. Ze maten de macroscopische Young's modulus van het materiaal voor het lege PPy en PPy gevuld met pSi-membraan om te laten zien hoe de structuur van het pSi-netwerk de macroscopische stijfheid van het materiaal domineerde.

Verbeterde functionaliteit van het biohybride systeem

Interne mechanische zweldruk in het waterige elektrolyt/PPy (polypyrrool) systeem droeg bij aan de beweging van tegenionen in de porieruimte vanwege de elektrische potentiaal die op het gehele poreuze medium werd uitgeoefend. In tegenstelling tot piëzo-elektrische materialen, the potential applied in this work to obtain exceptional actuation using the biocompatible hybrid materials was significantly lower, evidencing improved functionality of the hybrid system. Op deze manier, Manuel Brinker and colleagues integrated large electrochemical actuation into a mainstream semiconductor alongside functional integration of porous silicon (pSi) to establish versatile and sustainable pathways for electrochemical energy storage and other applications in aqueous electrolytic media. This work expanded on previous approaches on combining classic piezoelectric actuator materials, echter, in contrast to high-performance piezoelectric ceramics, the team did not integrate any heavy metals such as lead (Pb) for functionality. The materials used in this work are biocompatible and biodegradable, alongside exceptionally small functional voltages suited for biomedical functions of actuation. From a materials science perspective, the research showed how self-organized porosity in solids could be functionalized to design robust, 3-D mechanical materials to integrate nanocomposites within macroscale devices.

© 2020 Wetenschap X Netwerk