《AFM》休斯顿大学：用于电化学装置有机半导体纳米管致动器

【摘要】

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，从机器人和微泵到微透镜和生物电子学。迄今为止，实现大变形应变和快速响应对于电化学致动器仍然具有挑战性，其中阻力限制了器件运动，电极材料/结构限制了离子传输。最近，休斯顿大学Mohammad Reza Abidian教授团队报告了由有机半导体 (OSNT) 制成的电化学致动器、电化学传质和电化学动力学的结果。

OSNTs 器件在液体和凝胶聚合物电解质中具有快速离子传输和积累的高性能。该器件表现出令人印象深刻的性能，包括低功耗/应变、大变形、快速响应和出色的驱动稳定性。这种出色的性能源于纳米管的巨大有效表面积，可促进离子传输和积累，从而产生高电活性和耐久性。运动和质量传输的实验研究与可变质量系统的理论分析一起被利用，以建立设备的动力学，并引入 OSNT 的欧拉-伯努利方程的修改形式。最终，展示了由多个微致动器组成的最先进的小型化设备，用于潜在的生物医学应用。这项工作为可用于人造肌肉和生物医学设备的下一代执行器提供了新的机会。相关论文以题为Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices发表在《Advanced Functional Materials》上。

【主图导读】

图1 OSNTs 器件的制造和表征。A) 示意图说明了执行器的分层设计。(B) OSNTs 致动器的逐步制造过程：从盖玻片作为载体基板开始，上面覆盖有 aa) 顶部可移除的双面胶带，b) 聚丙烯 (PP) 薄膜（30 µm 厚）的附着) 到可移除胶带，在 c) PP 薄膜上溅射一薄层 Au（约 0.3 µm 厚，图 S4，支持信息），d) 在 Au 层上电纺模板 PLLA 纳米纤维，在电纺 PLLA 周围电沉积 OS纳米纤维。e) 去除 PLLA 纳米纤维以形成 OSNT，最后 f) 将构建的致动器从可拆卸胶带和载体基板上分离。C) 在模板 PLLA 纳米纤维静电纺丝和在模板纳米纤维周围电沉积OS之后去除模板以形成 OSNT 后镀金基材的照片。D) 电纺 PLLA 模板纳米纤维的扫描电子显微照片。E) OSNT 的扫描电子显微照片。F、G) OSNTs 层的横截面扫描电子显微照片。

图2 使用循环伏安法对 OSNT 器件进行电化学驱动。A) 示意图表示在氧化还原过程中 OSNT 驱动中的离子传输和由此产生的弯曲运动。B,C) 复合光学显微照片显示在循环伏安法期间，OSNTs 致动器在液体和凝胶电解质中的可逆弯曲变形，扫描速率为 10 mV s–1 一个完整循环。箭头表示连续还原 (R) 和氧化 (O) 过程中的弯曲方向。OSNT 沉积在致动器梁的左侧。D、E) 循环伏安图、F、G) 质量通量和 H、I) OSNTs 执行器的尖端位移作为 CV 循环过程中在包含 0.1 m NaPSS 的电位范围内的电位范围内的电位函数+0.4 V（相对于 Ag/AgCl）在 10 mV s–1（蓝色方块）、50 mV s–1（绿色圆圈）、100 mV s–1（红色向上三角形）和 200 mV s–1的不同扫描速率下（黑色向下三角形）。

图3 OSNTs 器件在各种 CV 扫描速率下的电化学机械响应。A、B) 复合照片说明在 A) 液体和 B) 凝胶电解质中以 10、50、100 和 200 mV s–1 的不同扫描速率在 CV 循环期间发生的最大尖端偏转。C-I) 在液体（黑色）和凝胶（红色）电解质中循环期间作为扫描速率函数的 OSNT 致动器响应，包括：C) 质量流入，D) 电荷存储密度，E) 最大位移，F) 最大值 应变，G）最大速度，H）响应时间，以及 I）驱动力。J, K) 10 mV s–1（蓝色方块）、50 mV s–1（绿色圆圈）、100 mV s–1（红色向上三角形）和 200 mV s–1 不同扫描速率下的驱动力-位移图（黑色向下三角形）在 J) 液体和 K) 凝胶电解质中。

图4 高性能 OSNT 设备的长期评估。A) 与不同类型的

软电化学执行器相比，OSNT 执行器的功耗/应变百分比。B）OSNTs 致动器在 200 mV s–1（连续运行 25 小时）下超过 15000 次致动的弯曲稳定性（δ/δ0）。δ0 对应于第一个周期的致动器偏转，δ 是第 n 个周期的偏转。插图表示在液体和凝胶电解质中前 1000 次驱动内最大尖端偏转 (δmax) 的样品变化。在液体和凝胶电解质的驱动过程中，δmax 没有显着差异（p > 0.05）。以 200 mV s–1 的扫描速率驱动 1000 次之前和 D) 驱动后的 OSNT C) 的扫描电子显微照片。E、F）以 200 mV s-1的扫描速率驱动 1000 次后执行器横截面的光学显微照片。

图5 将 OSNT 设备用于可移动神经微探针的概念证明。A、B) 探针的光学显微照片，带有使用标准光刻法制造的三个微悬臂梁。探针由三个镀金微悬臂梁（用 P 标记）、六个圆形电极位点（用 Q 标记）和九个连接垫（用 R 标记）组成。C) 使用引线键合组装在印刷电路板上的微探针的照片。D) 在 200 V s-1 的 CV 下驱动涂有 OSNT 的微悬臂梁。每个微悬臂梁都可以单独控制以达到所需的运动范围。E) 涂有 OSNT 的探针微悬臂梁的扫描电子显微照片。

【总结】

这项研究提出了一种新的通用方法来设计和开发

电化学装置，以 OSNT 为主要成分，能够在液体和凝胶聚合物电解质中运行。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、可调动力学和优异的驱动稳定性。这种高性能归因于与大离子交换和积累、低弹性模量、高电荷存储密度和大比电容相关的 OSNT 的巨大表面积。通过利用这些令人印象深刻的特性，团队设计并制造了一个由多个基于 OSNT 的微致动器组成的小型可移动设备，这些微致动器可以同时单独控制。运动和质量传输的实验研究以及具有可变质量的身体系统的理论分析被用来建立致动器的动力学，并为 OSNTs 致动器引入欧拉-伯努利偏转方程的修改形式。可以配制各种类型的化学衍生和功能化的有机半导体，以进一步增强该器件的电化学机械性能，超越电化学性能。考虑到这些成就以及 OSNTs 和 OSNFs 的广泛应用，团队预计基于 OSNTs 的电化学装置将用于软机器人、人造肌肉、生物电子学和生物医学设备。

参考文献：

doi.org/10.1002/adfm.202105358

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