Onderzoekers van de Universiteit van Houston melden een doorbraak op het gebied van materiaalwetenschap en techniek met de ontwikkeling van een elektrochemische actuator die gebruik maakt van gespecialiseerde organische halfgeleider nanobuisjes (OSNT's).

Momenteel in de vroege stadia van ontwikkeling, de actuator zal een belangrijk onderdeel worden van onderzoek dat bijdraagt ​​aan de toekomst van robotica, bio-elektronische en biomedische wetenschap.

"Elektrochemische apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische energie hebben potentieel gebruik in tal van toepassingen, variërend van zachte robotica en micropompen tot autofocus-microlenzen en bio-elektronica, " zei Mohammad Reza Abidian, universitair hoofddocent biomedische technologie aan het UH Cullen College of Engineering. Hij is de corresponderende auteur van het artikel "Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices, " gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen, waarin de ontdekking wordt beschreven.

Aanzienlijke beweging (die wetenschappers definiëren als activering en meten als vervormingsspanning) en snelle responstijd zijn ongrijpbare doelen, speciaal voor elektrochemische actuatoren die in vloeistof werken. Dit komt omdat de weerstandskracht van een vloeistof de beweging van een actuator beperkt en het ionentransport en de accumulatie in elektrodematerialen en -structuren beperkt. In het laboratorium van Abidian, hij en zijn team verfijnden methoden om die twee struikelblokken te omzeilen.

"Ons elektrochemisch apparaat met organische halfgeleider nanobuisjes vertoont hoge activeringsprestaties met snel ionentransport en -accumulatie en afstembare dynamiek in vloeibare en gel-polymeerelektrolyten. Dit apparaat vertoont uitstekende prestaties, inclusief laag stroomverbruik/belasting, een grote vervorming, snelle respons en uitstekende bedieningsstabiliteit, ' zei Abidian.

Deze uitstekende prestatie, hij legde uit, komt voort uit het enorme effectieve oppervlak van de nanotubulaire structuur. Het grotere gebied vergemakkelijkt het ionentransport en de accumulatie, wat resulteert in een hoge elektroactiviteit en duurzaamheid.

"De lage stroomverbruik/rekwaarden voor deze OSNT-actuator, zelfs als het werkt in vloeibaar elektrolyt, markeer een diepgaande verbetering ten opzichte van eerder gerapporteerde elektrochemische actuatoren die in vloeistof en lucht werken, " Zei Abidian. "We hebben de stabiliteit op lange termijn geëvalueerd. Deze organische halfgeleider nanobuis-actuator vertoonde superieure stabiliteit op lange termijn in vergelijking met eerder gerapporteerde op geconjugeerde polymeer gebaseerde actuatoren die in vloeibare elektrolyt werken."

Samen met Abidian aan het project waren Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan en Sheereen Majd, allemaal van de afdeling Biomedische Technologie van het UH Cullen College of Engineering.

De gebruikte organische halfgeleiders, geconjugeerde polymeren genoemd, werden in de jaren zeventig ontdekt door drie wetenschappers:Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid en Hideki Shirakawa - die in 2000 een Nobelprijs wonnen voor de ontdekking en ontwikkeling van geconjugeerde polymeren.

Voor een nieuw type actuator om de status-quo te overtreffen, het eindproduct moet niet alleen zeer effectief blijken te zijn (in dit geval in zowel vloeibare als gelpolymeerelektrolyt), maar ook dat het kan duren.

"Om mogelijke toepassingen te demonstreren, we hebben een verplaatsbare neurale sonde op micronschaal ontworpen en ontwikkeld die is gebaseerd op OSNT-microactuators. Deze microsonde kan mogelijk in de hersenen worden geïmplanteerd, waar neurale signaalopnames die nadelig worden beïnvloed, door beschadigd weefsel of verplaatsing van neuronen, kan worden verbeterd door de positie van de beweegbare microcantilevers aan te passen, ' zei Abidian.

De volgende stap is dierproeven, die binnenkort zal worden uitgevoerd aan de Columbia University. De eerste resultaten worden eind 2021 verwacht, met testen op langere termijn die volgen.

"Gezien de prestaties tot nu toe, we verwachten dat deze nieuwe op OSNT gebaseerde elektrochemische apparaten de volgende generatie zachte robotica zullen helpen bevorderen, kunstmatige spieren, bio-elektronica en biomedische apparaten, ' zei Abidian.