تصنيع الاكتورات اللينة الفعالة الكهربية الفعالة من الكربون

تصف هذه المقالة عملية تصنيع سريعة وبسيطة للمواد المركبة النشطة الكهروميكانيكية الأيونية للآلات في تطبيقات الطب الحيوي والمحاكاة الحيوية والروبوتات الناعمة. يتم وصف خطوات التصنيع الرئيسية ، وأهميتها للخصائص النهائية للشركات المحركة ، وبعض تقنيات التوصيف الرئيسية بالتفصيل.

الصفيحة الفعالة بالسعة الكهربائية الأيونية هي نوع من المواد الذكية التي تتحرك استجابة للتحفيز الكهربائي. نظرًا للطبيعة الناعمة والمتوافقة والمحاكاة الحيوية لهذا التشوه ، تلقت الآلات المصنوعة من صفح اهتماممتزايد بالروبوتات الناعمة والتطبيقات الطبية (الحيوية). ومع ذلك ، هناك حاجة إلى طرق لتصنيع المواد النشطة بسهولة بكميات كبيرة (حتى صناعية) ومع تكرار دفعة عالية إلى دفعة وداخل الدفعة لنقل المعرفة من المختبر إلى الصناعة. يصف هذا البروتوكول طريقة بسيطة وقابلة للتطوير صناعيًا وقابلة للاستنساخ لتصنيع التغليفات النشطة الكهروميكانيكية النشطة الأيونية وإعداد الأكتورات التي يتم تصنيعها. إن إدراج طبقة وسطى خاملة وخاملة كيميائياً (غير قابلة للذوبان) (مثل شبكة بوليمر معززة بالمنسوجات أو تفلون مسامي ة) يميز الطريقة عن غيرها. وينقسم البروتوكول إلى خمس خطوات: إعداد الغشاء، وإعداد القطب، مرفق جامع الحالي، وقطع وتشكيل، وactuation. بعد نتائج البروتوكول في مادة نشطة يمكن، على سبيل المثال، استيعاب والاحتفاظ كائن على شكل عشوائي كما هو موضح في المقالة.

البوليمر الأيوني ة النشطة ميكانيكيا أو المركبات البوليمرية هي في جوهرها المواد الناعمة والمتوافقة التي تلقت اهتماما متزايدا في الروبوتات الناعمة المختلفة والتطبيقات الحيوية (على سبيل المثال، كآلات تشغيل، القابضين، أو الروبوتات المستوحاة بيولوجيا^1،,2). يستجيب هذا النوع من المواد للإشارات الكهربائية في نطاق بضعة فولت ، مما يجعلها سهلة التكامل مع الإلكترونيات التقليدية ومصادر الطاقة^3. تتوفر العديد من أنواع مختلفة من المواد الأساسية الأكتواتيور الأيونية ، كما هو موضح بالتفصيل في مكان آخر⁴، ومرة أخرى مؤخرًا^{جدًا 5.} وعلاوة على ذلك، تم التأكيد بشكل خاص في الآونة الأخيرة على أن تطوير الأجهزة الروبوتية الناعمة سيكون وثيق الصلة بتطوير عمليات التصنيع المتقدمة للمواد والمكونات النشطة ذات الصلة^6. وعلاوة على ذلك، تم تسليط الضوء أيضا ً في الدراسات السابقة القائمة على الأساليب⁷على أهمية تدفق العمليات الفعالة والراسخة في إعداد الآلات القابلة للاستنساخ التي لديها القدرة على الانتقال من المختبر إلى الصناعة.

على مدى العقود الماضية ، تم تطوير العديد من أساليب التصنيع أو تكييفها لإعداد الأكتورات (على سبيل المثال ، صب طبقة بطبقة⁸ والضغط الساخن^9،10، التشريب - الحد¹¹، اللوحة^12،13، أو اللف والتوليف الكهروكيميائي اللاحق^14،15، الطباعة النافثة للحبر¹⁶ والطلاء الدوراني¹⁷) ؛ بعض الأساليب هي أكثر عالمية ، وبعضها أكثر حدودًا من حيث اختيار المواد من غيرها. ومع ذلك ، فإن العديد من الأساليب الحالية معقدة إلى حد ما و / أو أكثر ملاءمة للتصنيع على نطاق المختبر. يركز البروتوكول الحالي على طريقة تصنيع الأكتوات سريعة وقابلة للتكرار وموثوقية وقابلة للتشغيل وقابلة للتطوير لإنتاج مغلفات نشطة مع تباين منخفض من دفعة إلى دفعة وتباين طويل للتشغيل^18. ويمكن استخدام هذه الطريقة من قبل العلماء المواد لتطوير الأكتاتور عالية الأداء للجيل القادم من التطبيقات المستوحاة بيولوجيا. وعلاوة على ذلك، اتباع هذه الطريقة دون تعديلات يعطي مهندسي الروبوتات الناعمة والمعلمين مادة نشطة لتطوير والنماذج الأولية للأجهزة الجديدة، أو لتعليم مفاهيم الروبوتات الناعمة.

وعادة ما تكون مصنوعة البوليمر الحيوي الحيوي أو الأكترات البوليمرية من اثنين أو ثلاث طبقات من مركبات اللامنار والانحناء استجابة للتحفيز الكهربائي في نطاق بضعة فولت(الشكل 1). يحدث هذا الحركة الانحناء من قبل آثار التورم والانكماش في طبقات القطب، وعادة ما يتم إحضارها إما عن طريق ردود الفعل فاراداك (الأكسدة) على الأقطاب الكهربائية (على سبيل المثال، في حالة البوليمرات النشطة ميكانيكيا (EAPs) مثل البوليمرات الموصلة) أو عن طريق الشحن بالسعة من طبقة مزدوجة (على سبيل المثال، في أقطاب البوليمر القائم على الكربون، حيث البوليمر قد تعمل فقط كما الموثق). في هذا البروتوكول(الشكل 2)، ونحن نركز على هذا الأخير ؛ نعرض تصنيع مركب نشط ميكانيكيًا يتكون من اثنين من المساحة السطحية العالية المحددة إلكترونيًا الموصلة من الكربون والتي يفصل بينها غشاء موصل أيون خامل يسهل حركة الكوادات والأنيونات بين الأقطاب الكهربائية - وهو تكوين مشابه جدًا للمكثفات الفائقة. هذا النوع من الانحناءات الأكتيواتر استجابة للشحن بالسعة / التفريغ وتورم / تقلص الناتجة عن الأقطاب الكهربائية وعادة ما يعزى إلى الاختلافات في حجم وحركة التأنيات والأنيونات من المنحل بالكهرباء^8،10،19. ما لم يتم استخدام الكربون سطح وظيفي كمادة نشطة أو مركب السعة يستخدم خارج نافذة الاستقرار الكهروكيميائي المحتملة من المنحل بالكهرباء، لا يتوقع أن تحدث ردود فعل فاراداك على هذا النوع من الأقطاب الكهربائية^20. عدم وجود ردود فعل فاراداويك هو المساهم الرئيسي في أعمار طويلة مفيدة من هذه المادة المحرك (أي الآلاف من الدورات في الهواء^8,18 يظهر لمختلف القدرات المحرك).

الشكل 1: بنية الأكتوات القائمة على الكربون في المحايد (أ) وفي الحالة الفاعلة (B). (ب)يسلط الضوء أيضا على الخصائص الرئيسية التي تحدد أداء الأكتوات الأيونية. ملاحظة: لا يتم رسم الرقم إلى مقياس. وقد تم المبالغة في حجم أيون لتوضيح آلية الأكتيان الأكثر شيوعا ً السائدة في حالة وجود غشاء خامل يمكّن من تنقل كل من الأنيونات والكوابات للإلكهار (على سبيل المثال، السائل الأيوني). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الحصول على غشاء وظيفي ة التي لا تزال سليمة طوال عملية التصنيع كله هي واحدة من الخطوات الرئيسية في إعداد الأكتواتر ناجحة. غشاء عالي الأداء للأكتوات رقيققدر الإمكان ويمكّن التوصيلية الأيونية بين الأقطاب الكهربائية مع منع أي توصيلإلكتروني. يمكن أن تنتج الموصلية الأيونية في الغشاء عن الجمع بين المنحل بالكهرباء مع شبكة مسامية خاملة (على سبيل المثال، النهج المستخدم في هذا البروتوكول) أو عن طريق استخدام بوليمرات محددة مع وحدات مؤينة المستعبدين covalently أو المجموعات الأخرى التي تمكن التفاعلات مع المنحل بالكهرباء. ويفضل النهج الأول هنا لبساطته ، في حين أن التفاعلات المصممة خصيصا بين المنحل بالكهرباء وشبكة البوليمر يمكن أن يكون لها أيضا مزايا ، إذا كان يمكن استبعاد التفاعلات غير المواتية (على سبيل المثال ، عرقلة أو إبطاء حركة الأيون بشكل كبير بسبب التفاعلات). وقد تم مؤخرا استعراض مجموعة واسعة من الأغشية الأيونوميريكية أو النشطة لالأكتورات²¹النشطة ميكانيكيا وآليات ها الناتجة عن ذلك. إن اختيار الغشاء، بالإضافة إلى اختيار الأقطاب الكهربائية، يلعب دوراً حاسماً في أداء الأكتواتوتور وعمره وآلية الأكتويشن. ويركز البروتوكول الحالي أساساً على الأغشية الخاملة التي توفر الهيكل المسامي لهجرة الأيون (كما هو مبين في الشكل 1)،على الرغم من أن أجزاء من البروتوكول (مثل الخيار الأغشية جيم) يمكن أن تكون مفيدة أيضاً للأغشية النشطة.

بالإضافة إلى اختيار المواد الغشائية ، وطريقة تصنيعها تلعب أيضا دورا هاما في الحصول على فاصل وظيفي للمركب. الأغشية المدلى بها المستخدمة سابقا تميل إلى الذوبان خلال الخطوة الساخنة الملحة في وقت لاحق، وبالتالي قد تشكل النقاط الساخنة الدائرة القصيرة²². وعلاوة على ذلك، فإن الأغشية الأيونوميريكية التجارية (مثل النفيون) تميل إلى الانتفاخ ومشبك بشكل كبير استجابة للمذيبات المستخدمة في خطوات التصنيع اللاحقة¹²، ومن المعروف أن بعض البوليمرات (على سبيل المثال ، السليلوز²³⁾تذوب إلى حد ما في بعض السوائل الأيونية ، مما قد يسبب مشاكل مع تكرار عملية التصنيع ويؤدي إلى ضعف توحيد الأقطاب الكهربائية. لذلك ، يركز هذا البروتوكول على الأكتياتورات ذات المكون السلبي والخامل كيميائيًا في الغشاء (على سبيل المثال ، الألياف الزجاجية أو الحرير مع PVDF أو PTFE) الذي يوقف المركب من التورم والالتواء في خطوات التصنيع اللاحقة أو من تشكيل النقاط الساخنة للدوائر القصيرة. وعلاوة على ذلك، فإن إضافة عنصر خامل وسلبي يبسط عملية التصنيع بشكل كبير ويمكّن أحجام دفعات أكبر مقارنة بالطرق التقليدية.

تم تقديم إدراج التعزيز السلبي في الغشاء لأول مرة من قبل Kaasikوآخرون. ¹⁸ لمعالجة المشاكل المذكورة أعلاه في عملية التصنيع الأكتواتر. إدراج تعزيز النسيج المنسوجة (انظر أيضا الشكل 3B و 3D)ويدخل كذلك القدرة على دمج الأدوات في مركب نشط²⁴ أو لتطوير المنسوجات الذكية¹⁸. لذلك ، فإن الخيار الغشائي C في البروتوكول هو أكثر ملاءمة لمثل هذه التطبيقات. ومع ذلك ، في حالة الأكتوات المصغرة (في مستوى دون ملليمتر) ، تصبح نسبة المكون السلبي إلى النشط في الغشاء غير مواتية أكثر وأكثر ، وقد يبدأ إدراج تعزيز النسيج المنظم في التأثير سلبًا على أداء الأكتواتور وتكرار العينة إلى العينة. وعلاوة على ذلك، فإن اتجاه التعزيز (على طول أو قطريا فيما يتعلق اتجاه الانحناء) قد تؤثر على أداء الأكتورات على شكل أكثر تعقيدا بشكل غير متوقع. لذلك ، فإن بنية خاملة أقل ترتيبًا ومسامية للغاية ستكون أكثر فائدة للأجهزة المصغرة وأشكال الأكتوات الأكثر تعقيدًا.

البوليترافلوروإيثيلين (PTFE، تعرف أيضا تحت الاسم التجاري تفلون) هي واحدة من البوليمرات الأكثر خاملة تعرف حتى الآن. وعادة ما يكون من الكاره للماء للغاية، ولكن الإصدارات المعالجة بالسطح التي يتم تقديمها هيدروفيليك موجودة، والتي هي أكثر سهولة في استخدام التصنيع actuator. يوضح الشكل 3A البنية العشوائية لغشاء ترشيح PTFE الهيدروفيلي الخام الذي تم استخدامه في هذا البروتوكول لإعداد الأكتواتر. بالإضافة إلى توحيد هذه المواد في جميع الاتجاهات التي هي مفيدة لقطع الاكتواعات المصغرة أو الأشكال المعقدة، وذلك باستخدام غشاء الترشيح التجاري مع المسامية الخاضعة للرقابة يبسط عملية تصنيع الأكتواتر عن طريق القضاء تقريبا على الحاجة إلى أي إعداد الغشاء. وعلاوة على ذلك، يصعب للغاية الحصول على سماكات الأغشية التي تصل إلى 30 ميكرومتر في التكوين المعزز للمنسوجات الذي سبق وصفه. لذلك ، ينبغي تفضيل أساليب تصنيع الأكتيوات المستندة إلى PTFE (الخياران A و B) من هذا البروتوكول في معظم الحالات ، مع الأخذ في الاعتبار أن الخيار A أسرع ، ولكن المستخدمين الذين تم استخدام الخيار B يظهرون سلالات أكبر (في نطاق التردد المعروض في الشكل 4B). كما تم إعداد القابض الناعم الذي تم تقديمه في قسم النتائج التمثيلية باستخدام غشاء PTFE المنقوع لأول مرة في المنحل بالكهرباء.

بعد أن تم إعداد غشاء وظيفي ، يستمر البروتوكول مع إعداد القطب والتعلق الحالي بجامع الطوابع. تتم إضافة الأقطاب الكهربائية المستندة إلى الكربون باستخدام طلاء الرش - وهو إجراء تم إنشاؤه صناعيًا يتيح التحكم العالي في سمك طبقة القطب الناتج. يتم إنتاج أقطاب كهربائية أكثر اتساقًا مع طلاء الرش مقارنة ، على سبيل المثال ، بطريقة الصب (أو ربما أيضًا طرق سائلة أخرى) حيث من المعروف حدوث ترسيب جزيئات الكربون أثناء تجفيف الفيلم^25. وعلاوة على ذلك، فإن إحدى السمات الأخرى لطريقة التصنيع المعروضة تعتمد في استراتيجية اختيار المذيبات الأكثر أهمية في حالة الأغشية المسلحة بالمنسوجات. بشكل أكثر دقة ، لا يذوب 4-methyl-2-pentanone (المذيب في تعليق القطب الكهربائي وحل الغراء) تعزيزات الغشاء الخامل أو PVDF المستخدمة في محلول الغشاء للغشاء المقوى بالمنسوجات. لذلك ، يتم تقليل خطر إنشاء نقاط ساخنة قصيرة الدائرة في المركب أثناء طلاء الرش.

صفح السعة نشطة بالفعل بعد تطبيق أقطاب الكربون. ومع ذلك، يتم الحصول على ترتيب من حجم أسرع الأكتوات²⁶ مع تطبيق جامعي الذهب الحالي. وهناك خطوة أخرى مهمة في البروتوكول هو مرفق جامعي الحالية في حين أن القطب المقابلة في حالة امتدت (أي، يتم عازمة المركب). لذلك ، في الحالة المسطحة المحايدة للأكتوات ، سيتم ربط ورقة الذهب في مستوى submillimeter. هذا التخزين المؤقت عن طريق التواء²⁷ النهج تمكن تشوهات أعلى دون كسر مما سيكون ممكنا خلاف ذلك لغرامة (~ 100 نانومتر) ورقة معدنية.

كما تم تلخيص جميع خطوات التصنيع الأكتواتر (إعداد الغشاء ، رش القطب ، مرفق جامع الحالي) في الشكل 2. للأداء توصيف العرض التوضيحي، قمنا بإعداد القابض الذي هو استيعاب متوافق، عقد والإفراج عن كائن على شكل عشوائي مع نسيج سطح عشوائي. هندسات أبسط، مثل عينات مستطيلة مع 1:4 أو أعلى نسبة العرض إلى الارتفاع (على سبيل المثال، 4 ملم إلى 20 ملم أو حتى 1 ملم إلى 20 ملم²⁸⁾قطع من المواد النشطة وفرضت في موقف cantilever هي أيضا نموذجية جدا لتوصيف المواد أو غيرها من التطبيقات التي تستخدم سلوك الانحناء من نوع.

تنتهي المقالة بمقدمة موجزة في توصيف المواد الفعالة الكهربية الأيونية النموذجية وتقنيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها باستخدام هندسة الأكتوات البسيطة المستطيلة. نعرض كيفية استخدام تقنيات التوصيف الكهروكيميائية الشائعة مثل قياس فولتامميس دوري (CV) ومطياف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS) لتوصيف المواد الأكتوائية واستكشافها وإصلاحها بمزيد من التفصيل. يتم تصور المركب في مستوى دون ملليمتر باستخدام المجهر الإلكتروني المسح الضوئي (SEM) ، والذي نستخدم تقنية التكسير بالتبريد لإعداد العينات. الطبيعة البوليمرية للمواد يجعل من الصعب الحصول على أقسام عرضية واضحة مع القطع العادية فقط. ومع ذلك، يؤدي كسر العينات المجمدة إلى مقاطع عرضية محددة بشكل جيد.

الشكل 2: نظرة عامة على عملية التصنيع. يتم تسليط الضوء على معظم الخطوات الهامة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

تنبيه: العديد من المواد الكيميائية والمكونات المستخدمة في هذا البروتوكول خطرة، يرجى الرجوع إلى صحائف بيانات السلامة ذات الصلة (SDS) للحصول على مزيد من المعلومات قبل بدء التجربة. يرجى استخدام غطاء الدخان ومعدات الحماية الشخصية (القفازات والنظارات ومعطف المختبر) عند التعامل مع المذيبات المتطايرة أثناء التجربة (على سبيل المثال ، أثناء إعداد الحلول ، مما يجعل الغشاء المسلح ، وطلاء الأقطاب الكهربائية وإرفاق جامعي الحالية). منع الاتصال المباشر الجلد مع المركب النهائي (ما لم يتم تغليفه²⁸⁾من خلال ارتداء القفازات دائما.

1. جعل غشاء فاصل

1. خذ إطارًا، مثل إطار التطريز.
   ملاحظة: لقد استخدمنا أحجام الإطار القياسية من 7.5 سم إلى 25 سم اعتمادا على حجم الدفعة المطلوبة. والأهم من ذلك، ينبغي أن يكون الإطار من المواد التي يمكن أن تحمل المذيبات وغيرها من المواد المستخدمة في وصفة. على سبيل المثال، يتم استخدام إطار التطريز البولي بروبلين في هذا البروتوكول. ومع ذلك، إذا كان غير متأكد، يوصى بإجراء اختبار المذيبات على الإطار.
2. الاختيار بين الخيارات من A إلى C (التي نوقشت أعلاه وعرضت في الشكل 2)للعثور على تكوين الغشاء الأكثر ملاءمة للتطبيق المخطط له. هناك حاجة إلى واحد فقط من الأغشية الثلاثة لإعداد مواد الأكتواتكتور الوظيفية.
3. الخيار أ: استخدام أغشية الترشيح التجارية المسامية للغاية في إعداد الفواصل الموصلة أيون
   1. تناول غشاء ترشيح المسامية العالية (مثل مرشح غشاء غشاء PTFE عالي المسامية بسماكة 30 ميكرومتر و80٪ من مسامية PTFE). إذا كان عامل التصفية القياسي كبيرًا جدًا للإطار، فقم بقصه إلى شكل باستخدام المقص. قطع الغشاء بين أوراق النقل لتجنب التلوث.
   2. ربط ومشدود غشاء الترشيح الجاف على الإطار.
      ملاحظة: يمكن أن تكون بعض أغشية الترشيح هشة إلى حد ما في الحالة الجافة. ربط الأغشية الجافة بعناية فائقة لتجنب تمزق.
   3. الانتقال إلى الخطوة 2 لمواصلة مع إعداد مركب نشط ميكانيكيا.
4. الخيار باء: استخدام أغشية الترشيح التجارية المشربة بالكهرباء في إعداد الفواصل الموصلة للأيون
   1. تناول غشاء ترشيح المسامية العالية (مثل مرشح غشاء غشاء PTFE عالي المسامية بسماكة 30 ميكرومتر و80٪ من مسامية PTFE). إذا كان عامل التصفية القياسي كبيرًا جدًا للإطار، فقم بقصه إلى شكل باستخدام المقص. قطع الغشاء بين أوراق النقل لتجنب التلوث.
   2. سجل كتلة الغشاء الجاف باستخدام توازن تحليلي لحساب الرفع الكهربائي في وقت لاحق. هذه الخطوة مطلوبة فقط لمراقبة تكرار الدفعي إلى الدفعي ويمكن تخطيها.
   3. ضع الغشاء الجاف في طبق بيتري واستخدم ماصة لإضافة فائض من السائل الأيوني (على سبيل المثال، 1-إيثيل-3-ميثيليمازوليوم ثلاثي فلوروروميثانتولفونات ([EMIM][OTf])).
      تنبيه: استخدم القفازات لمنع ملامسة الجلد.
   4. إمالة قليلا قرص بيتري للتأكد من أن يتم تغطية الغشاء كله مع السائل الأيونية أو استخدام ماصة لنقل السائل الأيونية إلى المناطق التي لا يزال الغشاء الجافة.
   5. السماح للغشاء نقع في السائل الأيوني لتحقيق أقصى قدر من امتصاص المنحل بالكهرباء.
   6. مرة واحدة هو غارقة في الغشاء بما فيه الكفاية (في الفيديو بعد حوالي 1 دقيقة)، pipet قبالة معظم السائل الأيونية الزائدة.
   7. باستخدام ملاقط، ضع الغشاء بعناية بين أوراق التصفية لإزالة بقية السائل الأيوني الذي لم يمتصه الغشاء. يجب أن يكون الغشاء النهائي شبه شفاف ولكن ليس الرطب.
   8. سجل كتلة الغشاء المنقوع والمجفف من الخطوة 1.4.7 باستخدام توازن تحليلي. هذه الخطوة مطلوبة لمراقبة تكرار الدفعي إلى الدفعي فقط ويمكن تخطيها.
      ملاحظة: في حالة أغشية PTFE المسامية للغاية والسوائل الأيونية منخفضة اللزوجة نسبيًا (على سبيل المثال ، [EMIM][ OTf] ) ، يتم تحقيق أقصى قدر من التناول السائل الأيوني على الفور تقريبًا. قد يؤدي استخدام السوائل الأيونية المختلفة وأغشية البوليمر التجارية المختلفة (الأقل مسامية) إلى أوقات نقع أطول. ويمكن تحديد هذه الحاجة بتكرار الخطوات 1.4.1 إلى 1.4.8. حتى يتم الحصول على كتلة غشاء ثابت. ومع ذلك، إذا كان المنحل بالكهرباء لزج جدا ً أو الغشاء لا مسامية بما فيه الكفاية ثم أداء الأكتواتر قد لا تكون عالية جداً سواء.
   9. ربط ومشدود الغشاء غارقة والمجففة على الإطار تجنب التجاعيد والطيات.
5. الخيار جيم:صنع غشاء معزز بالمنسوجات موصل بالأيونات قد يكون مفيدًا عند التخطيط لاستخدام البوليمرات المخصصة (أي البوليمرات غير المتوفرة كأغشية تجارية (الترشيح) أو سمك غشاء مخصص أو سوائل أيونية ذات لزوجة أعلى أو عند دمج الأدوات في الأكتوات. هنا نعرض الإجراء الأساسي لتصنيع الأغشية المقوى بالمنسوجات التي يمكن ، على سبيل المثال ، تعديلها لتشمل الأدوات أو الأنابيب (انظر المرجع²⁴لمزيد من المعلومات).
   1. في قارورة إرلينماير 100 مل، اخلطي معا2 غرام من فلوريد البولي فينيلين (PVDF)، 2 غرام من السائل الأيوني (على سبيل المثال، [EMIM][OTf])، 4 مل من كربونات البروبيلين (PC) و 18 مل من N، N-dimethylacetamide (DMAc).
      تنبيه: DMAc وPC هي مخاطر سامة وصحية ويمكن أن تهيج الجلد والعينين. التعامل مع الرعاية، واستخدام غطاء الدخان ومعدات الحماية الشخصية.
   2. إضافة شريط التحريك المغناطيسي وإغلاق قارورة مع سدادة.
   3. ختم قارورة مع فيلم تمتد مختبر البولي ايثيلين لمنع تبخر المذيبات.
      ملاحظة: استخدم فيلم التمدد الذي يمكنه تحمل التحريك عند 70 درجة مئوية (على سبيل المثال، نقطة انصهار بارافيلم هي 60 درجة مئوية فقط، وبالتالي لن يكون Parafilm مناسبًا لهذا التطبيق).
   4. حرك الحل بين عشية وضحاها عند 70 درجة مئوية باستخدام التحريك المغناطيسي ولوحة ساخنة يتم التحكم فيها درجة الحرارة. تعيين سرعة التحريك إلى متوسطة. قد تؤدي سرعة التحريك العالية جدًا إلى إدخال الكثير من الهواء إلى الحل ، في حين أن التحريك البطيء جدًا قد يؤدي إلى وقت إعداد أطول بكثير.
      ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتًا هنا وتنفيذها لاحقًا. يمكن تخزين الحل المعد في وعاء مختوم لفترة طويلة. إعادة تسخين وخلط الحل المخزن ة قبل البدء في استخدامه مرة أخرى (خلط في 70 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة عادة ما تكون كافية).
   5. قطع قطعة من القماش (على سبيل المثال، الحرير أو القماش الألياف الزجاجية) باستخدام مقص.
      ملاحظة: المنسوجات مع تكوين الألياف الخاملة مثل الحرير أو الألياف الزجاجية تعمل بشكل أفضل لأن المذيبات من حل الغشاء لا تذوب هذه. ومع ذلك، فمن المستحسن لإجراء اختبار المذيبات قبل استخدام أي نسيج. ويفضل الأقمشة خفيفة الوزن لأن هذه الأقمشة تؤثر على عمل المركب النهائي على الأقل. في الفيديو، استخدمنا نسيج الحرير المنسوج (11.5 غ/م^2).
   6. ربط ومشدود النسيج على إطار.
   7. تقليم أي نسيج الزائدة باستخدام مقص وإزالة بعناية أي ألياف فضفاضة باليد.
   8. أثناء العمل تحت غطاء الدخان ، قم بتغطية النسيج بطبقة رقيقة من محلول الغشاء باستخدام فرشاة الطلاء.
   9. دع الطبقة تجف تماما. يمكن استخدام مدفع الهواء الساخن بسرعة منخفضة فقط أولاً ولاحقاً مع إعداد مخصص (انظر الشكل 5 للحصول على التفاصيل) لتسريع عملية تبخر المذيبات.
      ملاحظة: قد يؤدي استخدام معدل دوران مرتفع جدًا مع الإعداد المخصص على غشاء مبلل نسبيًا إلى حدوث تشوهات في طبقات الغشاء وقد يؤدي إلى فقدان مواد الغشاء.
   10. بعد أن تجف الطبقة، افحص المركب ضد الإضاءة الخلفية للثقوب. ويمكن أيضا استخدام المجهر لهذا الغرض.
   11. إذا كانت هناك ثقوب في الغشاء، وتطبيق طبقة أخرى من الطلاء عن طريق تكرار الخطوات 1.5.8. و 1.5.9.
   12. التناوب بين جانبي النسيج عند تطبيق محلول الغشاء لضمان أن التعزيز (أي الطائرة المحايدة) لا يزال في منتصف الغشاء (انظر صورة SEM في الشكل 3D الذي يظهر ألياف النسيج المتمركزة في منتصف طبقة الغشاء).
       ملاحظة: المذيبات في محلول البوليمر حل الطبقات المطبقة سابقا ببطء. لذلك ، أضف طبقات غشاء لاحقة بحذر شديد لمنع تلف الغشاء المطبق بالفعل. تطبيق طبقات رقيقة قدر الإمكان وأبدا الذهاب أكثر من الأسطح الرطبة بالفعل مرتين.
   13. بمجرد الحصول على غشاء خال من العيوب ، تحقق من سمكه النهائي باستخدام مقياس المسمار micrometer. عادة ، تحتاج ثلاث طبقات على الأقل إلى التطبيق ، مما يؤدي إلى غشاء سميك يبلغ حوالي 50 ميكرومتر.
   14. السماح للغشاء الانتهاء بعد الجافة تحت غطاء الدخان لمدة 24 ساعة على الأقل.
       ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتًا هنا وحملها لاحقًا مع رش الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك ، فمن المستحسن لحماية الغشاء المعدة ضد جزيئات الغبار أثناء التجفيف.

2. صنع الأقطاب الكهربائية

ملاحظة: يتكون تعليق القطب الكهربائي من محلول القطب A (محلول البوليمر) وتعليق القطب B (الذي يحتوي على مسحوق الكربون والمنحل بالكهرباء) التي يتم إعدادها بشكل منفصل ثم خلطها معًا للحصول على التعليق النهائي. المذيبات المختارة لتعليق القطب لا يذوب تعزيزات الغشاء الخامل أو PVDF التي تستخدم في تكوين الغشاء المقوى النسيج. لذلك ، يتم الاحتفاظ بخطر إتلاف الغشاء الذي تم الحصول عليه بالفعل أثناء إضافة الأقطاب الكهربائية إلى الحد الأدنى.

1. إعداد حل القطب A
   1. في قارورة إرلينماير 100 مل، مزيج معا 2 غرام من بولي (الفينيلدين الفلورايد المشارك-شارك-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) و 24 مل من 4-ميثيل-2-pentanone (MP).
      تنبيه: النائب هو قابل للاشتعال وسامة بشكل حاد. استخدام غطاء محرك السيارة الدخان ومعدات الحماية الشخصية.
   2. إضافة شريط التحريك المغناطيسي وإغلاق قارورة مع سدادة.
   3. ختم قارورة مع البولي ايثيلين المستندة إلى فيلم تمتد المختبر.
   4. حرك الحل بسرعة متوسطة عند 70 درجة مئوية باستخدام التحريك المغناطيسي ولوحة ساخنة يتم التحكم فيها درجة الحرارة حتى يذوب البوليمر تمامًا ، عادة بين عشية وضحاها.
      ملاحظة: يمكن إيقاف البروتوكول مؤقتًا هنا. يمكن تخزين الحل المعد في وعاء مغلق ومختوم لفترة طويلة. إذا تحول الحل إلى هلام، اعادة تسخين (إلى 70 درجة مئوية) ومزجه قبل استخدامه في الخطوة 2.3. ليس من الضروري إضافة المزيد من المذيبات. عادة ، فإن الكميات في هذه الوصفة تنتج حوالي 150 سم² من المواد النشطة (سمك مركب النهائي حوالي 150 ميكرومتر). هذا يتوافق مع اثنين من دفعات إطار التطريز قطرها 10 سم.
2. إعداد تعليق القطب B
   1. في 100 مل أخرى Erlenmeyer قارورة, مزيج معا 1.75 غرام من الكربون (على سبيل المثال, الكربون المشتق من كربيد من TiC أو B₄C السلائف), 2 غرام من السائل الأيوني (على سبيل المثال, [EMIM][OTf]) و 10 مل من MP.
      تنبيه: تأثيرات الشحن الكهروستاتيكيغير ة غير المرغوب فيها يمكن أن تجعل وزن مسحوق الكربون صعبًا جدًا. ارتداء الأحذية تبديد ثابت أثناء الوزن للحد من تراكم الكهرباء الساكنة. وعلاوة على ذلك، استخدم معدات الحماية الشخصية لمنع استنشاق جزيئات الكربون الدقيقة.
   2. اخلطي التعليق في وعاء مغلق في درجة حرارة الغرفة لمدة 1 ساعة على الأقل باستخدام جهاز تحريك مغناطيسي. بدلا من ذلك، يمكن بالفعل استخدام المسبار بالموجات فوق الصوتية في هذه الخطوة (انظر الخطوة 2.3.4)
      ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتًا هنا، ويمكن تخزين التعليق B أو خلطه في وعاء مغلق ومختوم لفترة طويلة قبل خلطه مع الحل A للحصول على التعليق النهائي للقطب الكهربائي.
3. إعداد تعليق القطب النهائي
   1. تأكد من أن البوليمر في الحل A يذوب تمامًا عن طريق إمالة القارورة قليلاً للكشف عن أي كريات بوليمر غير مذابة (أو قطع) وأن الحل في شكل لزج ولكن سائل. إذا لم يكن كذلك، ثم يحرك في 70 درجة مئوية قبل الاستمرار مع الخطوة التالية.
   2. صب محلول القطب A (محلول البوليمر) في القارورة التي تحتوي على تعليق القطب B (الكربون، السائل الأيوني، المذيبات).
   3. استخدام 10 مل إضافية من النائب لشطف أي المواد المتبقية قبالة جدران قارورة A وصبها على التعليق النهائي في قارورة B.
   4. غمر المسبار بالموجات فوق الصوتية في التعليق النهائي، تعيين دورة إلى 0.5 (البقول) وتجانس التعليق تحت غطاء الدخان لمدة ساعة واحدة. تجنب الاتصال بين المسبار وجدران الوعاء الزجاجي. بدلا من ذلك، إذا لم يتوفر مسبار بالموجات فوق الصوتية، يمكن استخدام الاختلاط مع التحريك المغناطيسي لعدة ساعات بين عشية وضحاها في وعاء مختومة.
      ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتًا هنا، ويمكن تخزين تعليق القطب النهائي أو خلطه في وعاء مغلق ومغلق لفترة طويلة.
4. رش الأقطاب الكهربائية
   ملاحظة: يتم استخدام البخاخة Iwata HP TR-2 هنا لإعداد الأقطاب الكهربائية. ومع ذلك، يمكن بدلا من ذلك استخدام أنواع أخرى من بنادق الرش وأنظمة الرش التلقائي الصناعية.
   1. تغطية جدران غطاء الدخان مع الورق الثقيلة والشريط لتسهيل التنظيف بعد ذلك. لا تغطي منطقة تناول الهواء. Keep the fume hood lid as low as possible during spraying.
   2. قم بتوصيل البخاخة بإمدادات الهواء المضغوط وضبط الضغط (هنا ، يتم استخدام الاتصالات القياسية والضغط من 2 قضبان).
      ملاحظة: يجب أن يكون الضغط كافياً لحمل التعليق، ولكن ليس مرتفعاً جداً لإتلاف الغشاء.
   3. ملء خزان البخاخة مع الأسيتون (أو أي مذيب متوافق آخر) واختبار الرش على قطعة من الورق أو الورق المقوى أولا للتأكد من أن البخاخة نظيفة وخالية من الانسدادات.
   4. تحقق مما إذا كان تعليق القطب الكهربائي الذي تم إعداده في الخطوة 2.3 في شكل سائل عن طريق إمالة القارورة. في بعض الحالات، قد يتحول إلى هلام إذا تم تخزينه لفترة طويلة. اعادة تسخينه إلى 70 درجة مئوية أثناء خلطه مع شريط التحريك المغناطيسي باستخدام لوحة ساخنة يتم التحكم فيها في درجة الحرارة لتحويلها إلى سائل مرة أخرى. ليس من الضروري إضافة المزيد من المذيبات.
   5. صب تعليق القطب من قارورة إرلنماير في الخزان النظيف للبخاخة.
   6. اختبار تدفق التعليق على قطعة من الورق أولاً. ثم انتقل إلى تغطية الغشاء المعدة.
   7. ابدأ بتحريك البخاخة قبل البدء في الرش. رش على مسافة حوالي 20 سم وعقد البخاخة عمودي على الغشاء. الحفاظ على البخاخة تتحرك في السكتات الدماغية على التوالي والسيطرة عليها لتغطية الغشاء كله.
   8. لاحظ عدد المنعطفات التي يستغرقها لتغطية جانب واحد من الغشاء ، أو بدلاً من ذلك مراقبة حجم التعليق المضاف إلى الخزان لضمان سمك القطب على قدم المساواة على جانبي الغشاء.
   9. السماح للقطب الكهربائي على جانب واحد من الغشاء الجافة تحت غطاء الدخان. يمكن استخدام مدفع الهواء الساخن لتسريع عملية التجفيف إذا لزم الأمر (انظر الخطوة 1.5.9).
   10. تطبيق القطب الثاني على الجانب الآخر من الغشاء عن طريق تكرار الخطوات 2.4.7 إلى 2.4.9.
   11. تغطية كلا الجانبين من الغشاء عدة مرات حتى يتم الوصول إلى سمك المركب المطلوب (هنا كان سمك الإجمالي النهائي حوالي 150 ميكرون). مراقبة سمك المركب الجاف باستخدام مقياس المسمار ميكرومتر.
       ملاحظة: يمكن إيقاف التجربة مؤقتًا هنا. يمكن تخزين المركب الجاف في كيس قفل الرمز البريدي لفترة طويلة قبل إرفاق جامعي الذهب الحالي في الخطوة 3.

3. إرفاق جامعي الذهب الحالي

1. إعداد محلول الغراء
   ملاحظة: يمكن إعداد هذا الحل في وقت ما قبل الموعد مع تعليق القطب (وحل الغشاء). تأكد من إعادة تسخين الغراء قبل استخدامه لجعله أقل لزوجة.
   1. في قارورة إرلينماير 100 مل، اخلطي معا2 غرام من PVDF-HFP، 2 غرام من السائل الأيوني (على سبيل المثال، [EMIM]، 4 مل من جهاز الكمبيوتر و 40 مل من النائب.
   2. إضافة التحريك المغناطيسي، وإغلاق قارورة وختم مع البولي ايثيلين المستندة إلى فيلم تمتد المختبر.
   3. دع المحلول يحرك عند 70 درجة مئوية على لوحة ساخنة يتم التحكم فيها درجة الحرارة حتى يذوب البوليمر ، عادة بين عشية وضحاها.
2. إرفاق جامع الحالي إلى مركب الكربون (جانب واحد)
   1. قم بإزالة المادة الأكتواتر المعدة في الخطوة 2 من الإطار برفق.
   2. قطع قطعة 4 سم × 3 سم باستخدام مسطرة ومشرط. إذا تم استخدام غشاء مقوى بالمنسوجات ، فقم بمحاذاة القطع مع الألياف (مرئية من حواف المادة المركبة).
      ملاحظة: حجم القطع المقترح هو الأكثر ملاءمة للدفعات الصغيرة إلى متوسطة الحجم. ومع ذلك، فإنه ليس من الأهمية بمكان للحصول على العاملين.
   3. اتخاذ أنبوب معدني (هنا د = 3 سم) وإصلاح قطعة قطع بإحكام على ذلك باستخدام الشريط. في محاولة لتداخل فقط حوالي 1 ملم من المواد الأكتواتر مع الشريط لتجنب ابذية المواد النشطة.
      ملاحظة: يجب أن تحمل مواد الأنابيب أو طلاءها المذيبات التي تم استخدامها في محلول الغراء. التركيب الدقيق ليس حاسما للحصول على العاملين. قد تكون المواد التي تجري الحرارة بشكل جيد (مثل المعادن) مفيدة في تسريع عملية التجفيف. ومع ذلك، قد تكون أنابيب السيراميك أو البوليمر أو الأنابيب مناسبة أيضًا.
   4. باستخدام مقص، وقطع 4 سم × 4 سم قطعة من الذهب على نقل الورق ووضع واحدة من القطع على ورق الأنسجة.
      ملاحظة: وضع أوراق الذهب على ورق نقل على سطح أكثر ليونة أمر بالغ الأهمية للحصول على جامعي الحالية ذات نوعية جيدة.
   5. إعداد محطة "الالتحام" لبندقية الرش، حيث يمكن تخزينها بسرعة وأمان في موقف تستقيم. الغراء سوف تبدأ في الجفاف بمجرد إيقاف الرش، وبالتالي فمن الأهمية بمكان أن لا يكون هناك تأخير في تطبيق جامعي الذهب الحالي.
   6. أثناء العمل تحت غطاء الدخان، رش محلول الغراء من الخطوة 3.1.3 على المادة المحركالتي تم إصلاحها على أنبوب (الخطوة 3.2.3).
   7. لفة الأنابيب على ورقة الذهب (الخطوة 3.2.4) في حين أن الغراء لا يزال الرطب. لا توجد حاجة للضغط المفرط للالمتداول.
   8. إزالة ورقة نقل ولفة على ورق الأنسجة مرة أخرى للتأكد من أن الذهب قد تعلق بشكل صحيح.
   9. ضع المادة تحت ضوء الأشعة تحت الحمراء (IR) (المسافة من 10 إلى 15 سم) أو في فرن فراغ (أعلى فراغ ممكن في درجة حرارة الغرفة) لتجف لمدة 20 إلى 30 دقيقة.
   10. إذا لم إرفاق جامع الحالي بشكل صحيح أو هناك بعض العيوب أكبر، كرر الخطوات 3.2.3 إلى 3.2.9 لإضافة طبقة ثانية مرة واحدة قد جفت الطبقة الأولى للحصول على جامع الحالية خالية تماما من عيب.
3. إرفاق جامع الحالي على الجانب الآخر من المركب.
   1. إزالة الشريط بلطف والإفراج عن المواد من الأنابيب.
   2. تنظيف الأنابيب مع الأسيتون والورق الأنسجة لإزالة أي بقايا الغراء والذهب.
   3. إصلاح المواد الأكتواتر مرة أخرى على الأنابيب مع الجانب المغلفة بالذهب التي تواجه الأنابيب.
   4. كرر الخطوات 3.2.3 إلى 3.2.10 لإرفاق جامع الحالي على الجانب الآخر من المواد أيضا.
   5. إزالة بعناية المركب النهائي من الأنابيب وترك الأمر إلى ما بعد الجافة تحت غطاء الدخان لمدة 24 ساعة على الأقل.
      ملاحظة: درع المواد ضد جزيئات الغبار. بعد التجفيف، يمكن تخزين المواد في كيس قفل الرمز البريدي. ترك العينة لتجف على الأنابيب في درجات حرارة مرتفعة بدلا ً من ذلك لفترة طويلة (عدة ساعات إلى أيام) الحرارة النماذج الحرارية وبالتالي ينبغي تجنبها ما لم يكن thermoforming هو الهدف.

4. قطع وتشكيل وإجراء الاتصال وتميز المنفّتين

1. قطع الأكتوات
   1. استخدام مشرط حاد (ومسطرة معدنية) لقطع الأكتواتر في الشكل المطلوب. قطع دائما جميع جوانب المواد لتجنب أي الدوائر القصيرة الناجمة عن الذهب الزائد على الجانبين actuator.
      ملاحظة: قطع المواد باستخدام مقص غير مستصوب، لأن هذا يمكن أن تشوه المواد ويسبب الدوائر القصيرة على جانبي العينة.
2. تشكيل الأكتوات (على سبيل المثال، إلى مُقِدّ)
   ملاحظة: يمكن بسهولة تغيير شكل هذه المادة المركبة البوليمرية من صفح مسطح إلى شيء أكثر تقدمًا للتطبيقات الأكثر إثارة للاهتمام. اعتماداً على التكوين المطلوب، قد يكون من الضروري إرفاق جهات الاتصال أولاً.
   1. خذ الأكتوات المقطوعة ووضعها في قالب (على سبيل المثال، في قارورة زجاجية صغيرة كما هو موضح في الفيديو).
   2. توضع العينة في الفرن لمدة ساعة واحدة على الأقل وتسخن إلى 60 درجة مئوية.
3. استخدام الأكتوات
   ملاحظة: في الفيديو، نعرض جهات الاتصال المغناطيسية المخصصة ومقاطع كلفن المعدلة لصنع جهات الاتصال. في كلتا الحالتين، لوحات الذهب 24k هي المادة الوحيدة في اتصال مباشر مع الأكتوات.
   1. المشبك الأكتيواتتور بين الاتصالات الكهروكيميائية غير التفاعلية (على سبيل المثال، الذهب).
      ملاحظة: يجب أن يكون ضغط الاتصال كافياً للحصول على اتصال كهربائي موثوق به، ولكن ليس مرتفعًا جدًا بحيث لا يسبب تشوهات دائمة.
   2. تطبيق الجهد خطوة (أو الحالية) أو استخدام إشارات التحكم أكثر تعقيدا للسيطرة على الأكتوات. عادة، وقد استخدمت الفولتية خطوة ± 2 V أو أقل لدفع هذا النوع من المحركات. راجع المرجع²⁴ لمزيد من المعلومات حول اعتبارات التحكم في الأكتوات.
   3. في وقت واحد تسجيل التشغيل باستخدام عداد إزاحة الليزر أو كاميرا فيديو.
4. التكسير بالتبريد لتصوير SEM (الأكتاتورات المستندة إلى PTFE)
   ملاحظة: كسر العينات بعد تجميدها في النيتروجين السائل هو النهج المفضل للحصول على أقسام عرضية نظيفة أثناء التصوير SEM.
   تنبيه: لا تغلق أبدًا غطاء حاوية النيتروجين السائلة بإحكام. ويمكن أن يتسبب تراكم الضغط وإطلاقه اللاحق في إصابات خطيرة. وعلاوة على ذلك، يغلي النيتروجين السائل عند −196 درجة مئوية، لذلك يجب أيضا توخي الحذر لمنع الإصابات بسبب انخفاض درجات الحرارة.
   1. صب النيتروجين السائل في حاوية عازلة حراريًا (على سبيل المثال، كوب رغوة يمكن التخلص منه)
   2. أولا، وضع العينة والأدوات المعدنية في وقت لاحق في النيتروجين السائل والسماح للعينة تجميد لمدة 1 دقيقة تقريبا.
      ملاحظة: من المستحسن تبريد الأدوات المعدنية (على سبيل المثال، مشرط أو ملاقط) لمنع أي إزالة آثار محتملة بسبب اختلافات في درجة الحرارة. ومع ذلك ، تحتاج الأدوات إلى أوقات تبريد أقصر من المركب البوليمري بفضل الموصلية الحرارية الأفضل للمعادن. وعلاوة على ذلك، قد يكون من المستحيل التعامل مع الأدوات المعدنية المبردة بعمق.
   3. الاستيلاء على عينة المجمدة مع مجموعتين من ملاقط تبريد وكسر ذلك.
5. التكسير بالتبريد لتصوير SEM (الأكتاتورات المسلحة بالمنسوجات).
   ملاحظة: قد لا تنكسر الأكتورات المسلحة بالمنسوجات (خاصة إذا تم استخدام الألياف الزجاجية) حتى في الحالة المجمدة. يمكن الحصول على مقاطع عرضية نظيفة عن طريق القطع باستخدام شفرة مبردة.
   1. تجميد الأكتواتوتور ومشرط في النيتروجين السائل (انظر الملاحظة في الخطوة 4.4.2).
   2. ضع العينة المجمدة على سطح قطع غير لاصق (على سبيل المثال، كتلة من PTFE) وتقطيع المادة الأكتواتر باستخدام مشرط المبرد.

نقطة النهاية الأساسية للتمييز بين تجربة ناجحة وفاشلة هي استجابة المادة للإشارات الكهربائية بعد الاتصال بها إلى مصدر طاقة. في الهندسة الكهربائية، والنحاس هو مادة معروفة لصنع الاتصال. ومع ذلك ، النحاس هو أيضا الكهربائية النشطة ، وبالتالي ليست مناسبة لإجراء اتصال مع نظام أيوني ة أدخلت هنا. استخدام الاتصالات النحاس يمكن أن يسبب الدوائر القصيرة بسبب تكوين dendrite من خلال المركب. وعلاوة على ذلك، في حالة توصيف المواد، فإنه من المستحيل التمييز بين التيارات (والفعل) النابعة من المواد الكهرونشطة وتلك النابعة من النشاط الكهروكيميائي للنحاس²⁹. لقد أظهرنا سابقا أن الاكتياشن - على الرغم من عدم موثوقية - دون أي مواد نشطة مضافة (أي بدون أقطاب البوليمر المستندة إلى الكربون أو الموصلة) ممكن في حالة أغشية الأيونومر الرطب (على سبيل المثال، نافيون) وفقط محطات النحاس²⁹. لذلك ، تم إجراء جميع التجارب مع المواد النشطة هنا باستخدام جهات اتصال الذهب الخاملفقط.

التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS) هو طريقة غير مدمرة لتوصيف واستكشاف الأخطاء وإصلاحها من المواد الأكتواتال السعة قبل الاستخدام. تم التقاط أطياف المعاوقة في الشكل 4C و 4D باستخدام potentiostat / galvanostat / FRA في تكوين اثنين من القطب. ووُضعت العينة (20 ملم × 4 ملم × 150 ميكرومتر) بين جهات اتصال ذهبية، وُضعت سعة إشارة الإدخال أثناء قياس المعاوقة إلى 5 ميغافولت_{في جمهورية مقدونيا،} وتم مسح الترددات من 200 كيلوهرتز إلى 0.01 هرتز. الشكل 4C و 4D تظهر أطياف المعاوقة النموذجية من الأكتورات مع ارتفاع (~ 300 درجة²⁾أو مع منخفضة (~ 5 درجة²⁾المقاومة الداخلية، على التوالي. تم تسجيل الأطياف باستخدام عينة مع غشاء PTFE الجاف وعينة أخرى مع الغشاء المنقوع ، على التوالي. وتميل الموصلية الأيونية الأعلى من خلال المادة إلى أن تتوافق مع العاملين الأسرع وربما أيضاً بمزيد من الإزاحة بنفس تردد التشغيل (انظر الشكل 4باء)،إذا ظلت جميع المعلمات الأخرى (مثل المعلمات الميكانيكية) دون تغيير والمواد بشكل عام نشطة.

الطبيعة غير المدمرة لEIS مفيدة بشكل خاص للكشف عن الدوائر القصيرة في المركب. وفي حالة الأكتوعات المعدة وفقا للبروتوكول الحالي، غالبا ما يكون سبب الدوائر القصيرة حطام جامع الحالي على جانبي الأكتواتور (انظر تعليمات القطع في الخطوة 4-1-1) أو نادرا ما يكون بسبب غشاء معيب (على سبيل المثال، عندما لا تغطي جميع الثقوب في الغشاء المعزز بالمنسوجات على النحو التعليمات الواردة في القسم 1-5). سيتم تقديم المقاوم (في هذه الحالة دائرة قصيرة) كنقطة على مؤامرة Nyquist لتجربة EIS. وملاحظة هذه الاستجابة مؤشر معين على وجود عينة معيبة (انظر الشكلين 4C و 4D للاطلاع على أطياف مرجعية من العاملين في مجال القدرات الوظيفية). وعادة ما لا تعمل العينات ذات الدوائر القصيرة. وعلاوة على ذلك، فإن هذه في معظم الأحيان تكون عديمة الفائدة بشكل دائم بسبب التدفئة المقاومة وذوبان الناتجة عن المركب عندما حاول أن يعمل.

في شكله الوظيفي ، هذه المادة هي مكثف مزدوج الطبقة الذي يظهر حركة الانحناء استجابة لشحن وتفريغ طبقة مزدوجة بفضل الشوارد المصممة خصيصا المستخدمة في تصنيعها. قياس الفولتام الدوري (CV) هو تقنية تستخدم على نطاق واسع في الكيمياء الكهربائية لدراسة أنظمة مختلفة. خلال تجربة السيرة الذاتية ، تتنوع إمكانات القطب العامل (في هذه الحالة أحد أقطاب الأكتوات) فيما يتعلق بقطب مضاد (هنا القطب الآخر للأكتوات) بسرعة ثابتة (على سبيل المثال ، 800 mV / s بين ± 2 V) ويتم تسجيل الاستجابة الحالية من النظام باستخدام potentiostat. يتم تقديم استجابة نموذجية الحالية من صفح السعة في الشكل 4E. الاستجابة الحالية للعينة مع غشاء PTFE غارقة (في الرمادي الداكن في 4E)يشبه أن من مكثف المثالي: التيار لا يعتمد على إمكانات القطب وعلى عكس الإمكانات، يتم تغيير الاتجاه الحالي (وبالتالي علامته) (تقريبا) على الفور، مما أدى إلى (تقريبا) مستطيلة الفولتاموغرام. تظهر الاستجابة الحالية للعينة ذات الغشاء الجاف في البداية (باللون الوردي في 4E)سلوك مكثف أقل مثالية بمعدل المسح هذا ، ربما بسبب المقاومة الداخلية العالية للمادة (كما يتضح أيضًا من EIS في الشكل 4C). ومع ذلك، تظهر كلتا العينتين الطبيعة السعة للمركب. من ناحية أخرى ، تظهر الخطوط الرمادية الفاتحة في الشكل 4E السلوك المحتمل من العينات الخاطئة (على سبيل المثال ، تلك الدائرة القصيرة) التي من شأنها أن تتبع قانون Ohm عن كثب.

يتم تقديم أداء العاملين وظيفية مختلفة في الشكل 4A والشكل 4B. الشكل 4A يظهر لقطات من الفيديو حيث 5 الاصبع الحرارية التي تسيطر على الأكتوات، يحمل ويطلق كائن على شكل عشوائي استجابة لخطوات الجهد. وعادة ما تستخدم أبسط الهندسات لأغراض توصيف المواد. على سبيل المثال ، يبرز الشكل 4B الأكتياتورات غشاء PTFE الجافة والمنقوعة 'أقصى زاوية الانحناء^28،30 استجابة لإشارات الجهد الثلاثي بين ± 2 V. من أجل توصيف مواد الأكتواتتور المختلفة ، تم وضع عينات (4 مم × 20 مم × 150 ميكرومتر) بين المشابك الذهبية في موضع cantilever (ترك طول حر 18 مم للتشغيل) وتم تسجيل زاوية الانحناء باستخدام كاميرا فيديو. بدلا من ذلك، حركة نقطة واحدة على طول الأكتوات (على سبيل المثال، 5 ملم من جهات الاتصال) وقد تم عادة رصد هافيالوقت واستخدامها في حسابات الفرق سلالة^31،32. معالجة الفيديو ، على الرغم من أن أكثر تعقيدا ، ويعطي المزيد من المعلومات عن التشكيل الجانبي الانحناء كله من العينة ، وتمكن أيضا من إعادة تحليل الأداء في وقت لاحق ، إذا كان ينبغي أن تنشأ مثل هذه الحاجة. نقطة 0.1 هرتز في الشكل 4B يتوافق مع نفس الإشارة بالضبط كما هو مستخدم في تجارب قياس فولتامطي دوري من الشكل 4E، سواء من حيث الجهد الأكتيتوروكذلك وكذلك تردد التشغيل. باستخدام نفس الإشارة للتوصيف والتنشيط يسمح لنا، على سبيل المثال، بالتوصل إلى استنتاجات حول الطبيعة السعة للمواد وحول استقرار وعدم وجود تفاعلات الكهروكيميائية أثناء الاكتياب.

الأساليب الكهروكيميائية (EIS، CV)، تصور بنية الأكتواتتور في مستوى الميكرومتر (عادة) وتوصيف الإزاحة هي الطرق الأكثر شيوعا ً لتوصيف الأكتاتورات الأيونية وتقييم نجاح عملية التصنيع. ومع ذلك، غالباً ما يتم تطوير التجارب المخصصة لتقييم أداء الأكتواتر في تطبيق أكثر تحديداً لتقييم الأداء الخاص بالتطبيق (على سبيل المثال، القدرة على حمل حمولة).

الشكل 3: التصوير. المسح الضوئي الميكروتروني تظهر غشاء PTFE مسامية للغاية(A)ومقطع عرضي من الأكتيوات الذي أدلى به باستخدام نفس الغشاء لا يظهر أي delamination(C). رسم مجهري SEM يظهر مقطععرضي من جهاز عمل معزز بالمنسوجات(D)وصورة بصرية لتعزيز الحرير المقابل(B). عينات لSEM المقاطع العرضية كانت أول كسر بالتبريد باستخدام النيتروجين السائل، شنت على حامل عينة معدنية ثم sperمع 5 نانومتر من الذهب لتعريف أفضل باستخدام معطف السافل. تم استخدام مجهر إلكتروني مسح سطح الطاولة للتصوير في جهد تسارع 15 كيلوفولت. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: النتائج التمثيلية للأكتوات. (أ)خطوات الجهد والصور المقابلة من القابض خمسة الذراع استيعاب متوافق كائن مع شكل عشوائي (أكتواتور دون اتصالات 21 ملغ؛ تحميل رغوة البوليسترين 17.8 ملغ)؛ (ب)مجموع زاوية الانحناء من 4 ملم × 20 ملم × 150 ميكرومتر PTFE المستندة إلى الأكتاتورات التي فرضت بين جهات اتصال الذهب (18 ملم طول حر) استجابة لإشارة التشغيل الثلاثي (± 2 V) في ترددات التشغيل المختلفة (ن = 3، تمثل أشرطة الخطأ انحرافمعياري واحد للمتوسط)؛ (C و D) أطياف المعاوقة الكهروكيميائية النموذجية للصفائح النشطة كهربائياً (سعة إشارة 5 mV_RMS)؛ (E) قياس فولتام دوري نموذجي للصفائح السعة (إشارة التثليث باستخدام سرعة مسح 800 mV/s التي تتوافق مع نقاط 0.1 هرتز في B). الخطوط الرمادية على التصوير الشعاعي للثدي دوري هي للمقارنة وتظهر استجابة من الأكتوات الخاطئ المحتملة (أساسا المقاوم) التي من شأنها أن تتبع عن كثب قانون أوم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: سبين التجفيف أثناء إعداد الغشاء. (أ)مخططات الإعداد(B)صورة الإعداد مع إطار مع تعزيز المرفقة. أثناء التجفيف تدور، قوة الطرد المركزي يوجه المذيبات المتبقية في طبقة الغشاء نحو حافة الإطار. هذا يمكن أن يكون مفيدا لتسريع عملية التجفيف. ومع ذلك ، في حالة الأغشية الرطبة تمامًا ، يمكن أن يؤدي ذلك إلى فقدان المواد النشطة (البوليمر والسائل الأيوني) وبالتالي يجب تجنبه. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

قدمنا طريقة تصنيع بسيطة وسريعة وقابلة للتكرار ومتعددة الاستخدامات لإعداد مركب أيوني ميكانيكيا ً نشطاً لمختلف تطبيقات الأكتوات، ومع تعديلات طفيفة أيضاً لتخزين الطاقة، وحصاد³³ أو استشعار³⁴ تطبيقاً. الأسلوب الحالي يركز على الأغشية مع عنصر سلبي متكامل وخامل كيميائيا (على سبيل المثال، شبكة البوليمر المقوى النسيج أو غشاء تفلون مسامية للغاية، انظر أيضا الشكل 3)لأن هذه الأغشية تبسيط كبير عملية إعداد الأكتواتر أيضا على نطاق واسع. وعلاوة على ذلك، فإن الأغشية الناتجة لديها خطر أقل من تورم والتواء بسبب المذيبات (أو المنحل بالكهرباء) في تعليق القطب أو من تشكيل نقطة ساخنة الدائرة القصيرة مقارنة مع العديد من أساليب التصنيع الشائعة الأخرى والمواد.

الخطوات الحرجة في إعداد صفح الأكتاتور بالسعة هي إعداد الغشاء ، وتصنيع الأقطاب الكهربائية ، ومرفق جامع التيار ، والقطع ، والاتصال(الشكل 2). كل من هذه الخطوات يترك مجالا للتخصيص وتحسين الأداء ، ولكن أيضا للأخطاء. في القسم التالي سوف نناقش التعديلات المفيدة واستراتيجيات استكشاف الأخطاء وإصلاحها من طريقة التصنيع هذه بمزيد من التفصيل. نتائج مركبة عالية الأداء من التفاعل بين العديد من الجوانب الرئيسية التي تحتاج إلى أن تؤخذ في الاعتبار: الموصلية الإلكترونية الكافية على طول القطب (إضافة جامع الذهب الحالي إلى أقطاب الكربون)؛ الموصلية الأيونية الكافية من خلال الغشاء (استخدام غشاء رقيقم مسامي وكمية كافية من المنحل بالكهرباء منخفضة اللزوجة ، والحد من المخاطر على التفاعلات غير المواتية بين الغشاء والكهارل باستخدام شبكة البوليمر الخاملة) ؛ مساحة سطح عالية من القطب (حدد نوع الكربون مناسبة)؛ الشوارد المصممة التي تؤدي إلى تورم / تقلص غير متناظرة من الأقطاب الكهربائية (حدد المنحل بالكهرباء مناسبة)؛ المعلمات الميكانيكية (مودولي يونغ من المكونات). كما تم تسليط الضوء على هذه الجوانب الرئيسية للأكتوات عالية الأداء القائمة على الكربون في الشكل 1B.

غشاء عالي الأداء هو الجزء المركزي من هذا المركب. لديها مهمتين: منع الموصلية الإلكترونية (الدوائر القصيرة) بين الأقطاب الكهربائية مع تمكين الموصلية الأيونية العالية. ويمكن أن تخدم التعديلات المدخلة على الغشاء عدة أغراض، مثل تكامل الأدوات كما أدخلها Must et al.²⁴ أو إضافة خصائص جديدة (مثل التوافق البيولوجي أو التحلل البيولوجي أو الخصائص الميكانيكية المختلفة). يمكن تعديل طريقة التصنيع الحالية لاستخدام البوليمرات والشوارد الأخرى في الغشاء لإدخال خصائص جديدة إلى صفح نشط. مثل استراتيجية اختيار المذيبات التي أدخلت هنا للأجهزة الفعالة المقوى بالمنسوجات ، من المستحسن اختيار المذيبات الأكثر فقراً لتصنيع الأقطاب الكهربائية اللاحقة مقارنة بإعداد الغشاء. وهذا يضمن أن الغشاء لا يزال وظيفيا وسليمة أيضا بعد إضافة الأقطاب الكهربائية.

يتأثر أداء الأكتيان للمركب النهائي بمادة القطب المختار (الكربون) ، والكهارل وربما توافقها مع بعضها البعض. يقدم هذا البروتوكول تصنيع الصفيحة بالسعة القائمة على الكربون باستخدام كربيد البورون المشتق من الكربون و1-إيثيل-3-ميثيليمازوليوم ثلاثي فلوروروميثانسولفونات ([EMIM][OTf]) السائل الأيوني. ومع ذلك ، فإن نفس البروتوكول قابل للتكيف مع مواد الكربون الأخرى المحددة في منطقة السطح ، مثل الكربونات المشتقة من كربيد من مصادر أخرى (على سبيل المثال ، TiC³⁵، SiC أو Mo₂C³⁶⁾، الأنابيب النانوية الكربونية^8،37، aerogel الكربون38 أو الجرافين³⁹، وغيرها ، كما استعرضت أيضا مؤخرا⁴⁰.³⁸ وعلاوة على ذلك، يمكن أيضا استخدام الشوارد الأخرى في إعداد الأكتواتر. ولا يقتصر الحصول على مركب وظيفي على أنواع الكربون والسوائل الأيونية المعروضة في هذا البروتوكول. حجم جسيمات الكربون، والتكتل ممكن في تعليق القطب واللزوجة التعليق هي أكثر المعلمات حاسمة لعملية طلاء رذاذ.

تمكن هذه الطريقة من إنتاج مواد صفح نشطة ميكانيكيًا ذات خصائص قابلة للاستنساخ بكميات كبيرة. يتم تصغير المحركات المصنوعة من هذه المواد بشكل رئيسي باستخدام قطع عالي الدقة (على سبيل المثال ، الشكل 3C). طرق بديلة لإعداد الهياكل الدقيقة، مثل اخفاء، والنقش ممكنة أثناء رذاذ الطلاء^41. وعلاوة على ذلك، يمكن أيضا أن تكون منقوشة هياكل على نطاق ملليمتر في الذهب الحالي التالي مرفق الخطوة. ومع ذلك، في نطاق دون ملليمتر هذا قد تصبح صعبة للغاية. قد يكون من الأسهل إعداد أنواع أخرى من الأكتوات أو الأكتوات القائمة على الكربون دون جامعي تيار الذهب ، إذا كانت الميزات القابلة للنقش يجب أن تكون في مقياس الميكرومتر.

المحفزات الناعمة في جوهرها التي تستجيب للمحفزات الكهربائية لديها العديد من المزايا بفضل طبيعتها الناعمة والمتوافقة، والتشغيل الهادئ ومستويات الجهد المطلوبة المنخفضة. يوضح البروتوكول الحالي كيفية إنتاج مثل هذه المواد بكميات أكبر ومع تكرار دفعة إلى دفعة عالية وداخل الدفعة دون المساس بأداء الاكتويشن. ومن المتوخى إدخال تعديلات على الطريقة الحالية لإدراج مكونات أكثر ملاءمة للبيولوجيا وربما أيضا قابلة للتحلل البيولوجي من شأنها أن تمكن من تشغيل الكائنات الحية القريبة أو الداخلية بالإضافة إلى نهج التغليف الكلي الناجح، وإدماج المواد النشطة المدخلة في الأجهزة الروبوتية أو الطبية الحيوية الناعمة في المستقبل.

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

يود المؤلفان أن يشكرا رون هوفنكامب ومارسيل مولدر من شركة فيليبس للأبحاث على مناقشات مفيدة. وقد دعم هذا العمل جزئيا بتمويل البحوث المؤسسية IUT (IUT 20-24) التابع لوزارة التعليم والبحث الإستونية، منحة مجلس البحوث الإستوني (PUT1696)، من قبل صندوق التنمية الإقليمية الأوروبي، من قبل برنامج Mobilitas Pluss (منحة No MOBTP47)، من قبل برنامج الاتحاد الأوروبي للبحث والابتكار 2020 في إطار اتفاقية منحة ماري Skłodowska-Curie No 793377 (BIOACT)، ومشروع IMPACT-MII ، مشروع ابتكار صحة EIT. يتم دعم EIT Health من قبل EIT ، وهي هيئة من هيئات الاتحاد الأوروبي.