הייצור של מפעיל פחמן מבוססי Electromechanically Active מפעילים רכים

מאמר זה מתאר תהליך ייצור מהיר ופשוט של החומרים המורכבים הelectromechanically יוניים עבור מפעילים בביו-רפואית, ביואידיטיטידים וביישומי רובוטיקה רכים. מדרגות הייצור המרכזיות, חשיבותם לתכונות הסופיות של הפעילים, וחלק משיטות האפיון העיקריות מתוארות בפרוטרוט.

ציפויים electromechanically יוניים פעילים קיבולי הם סוג של חומר חכם המעבר בתגובה גירוי חשמלי. בשל האופי הרך, התואם והביולוגי של דפורמציה זו, מפעילים העשויים למינציה קיבלו התעניינות גוברת ברובוטיקה וביישומים רפואיים רכים. עם זאת, שיטות כדי להמציא בקלות את החומר הפעיל בכמויות גדולות (אפילו תעשייתי) ובאמצעות אצווה גבוהה-to-אצווה ו-בתוך אצווה היכולת לעבור להעביר את הידע מהמעבדה לתעשייה. פרוטוקול זה מתאר את השיטה הפשוטה, התעשייתית והתיעוש לייצור מelectromechanically מבוססי פחמן מבוסס-פחם והכנת מפעילים שנעשו. הכללה של שכבה פסיבית וכימית (שכבת אמצע) (למשל, רשת פולימר מחוזק טקסטיל או מיקרונקבובי טפלון) מבדיל את השיטה מאחרים. הפרוטוקול מחולק לחמישה שלבים: הכנה לממברנה, הכנה לאלקטרודות, מצורף האספן הנוכחי, גזירה ועיצוב, והגשמה. בעקבות הפרוטוקול התוצאה היא חומר פעיל שיכול, לדוגמה, לאחוז באופן בלתי מוכח ולהחזיק אובייקט בצורת אקראי כפי שמתואר במאמר.

Electromechanically היונית פעילה פולימר או פולימרים מרוכבים הם חומרים רכים ותואמי מיסודה אשר זכו לעניין הולך וגובר ביישומים שונים של רובוטיקה וביוגליי (למשל, כפעילים, למשרתות, או רובוטים ביו בהשראת^1,2). סוג זה של חומר מגיב לאותות חשמליים בטווח של כמה וולט, מה שהופך אותם קל להשתלב עם אלקטרוניקה קונבנציונאלי מקורות כוח³. סוגים רבים של חומרי בסיס למפעיל יוניים הינם זמינים, כמתואר בפירוט במקום אחר⁴, ושוב לאחרונה מאוד⁵. יתר על כן, זה הודגש במיוחד לאחרונה כי התפתחות של מכשירים רובוטיים רך יהיה קשר הדוק מאוד לפיתוח של תהליכי ייצור מתקדמים עבור חומרים פעילים רלוונטיים ורכיבים⁶. יתר על כן, החשיבות של זרימת תהליך יעיל ומבוסס היטב בהכנת מפעילים מיוכיים, כי יש פוטנציאל לעבור מהמעבדה לתעשייה הודגש גם בשיטות קודמות מבוססות מחקרים⁷.

בעשורים האחרונים פותחו שיטות הייצור הרבות או הותאמו להכנת מפעילים (לדוגמה, השלכת שכבה על-ידי שכבה⁸ ולחיצה חמה^9,10, הספגה-הפחתה¹¹, ציור^12,13, או התזה והסינתזה האלקטרוכימי העוקבת^14,15, הדפסת הזרקת דיו¹⁶ וציפוי ספין¹⁷); שיטות מסוימות הן אוניברסליות יותר, וחלקן מגבילות יותר במונחים של בחירת חומרים מאחרים. עם זאת, רבות מהשיטות הנוכחיות הן מסובכות למדי ו/או מתאימות יותר לייצור בקנה מידה של מעבדה. הפרוטוקול הנוכחי מתמקד בשיטת ייצור מהירה, ניתנת לשחזור, אמינה ומדרגית לייצור ציפויים פעילים עם השתנות אצווה נמוכה ושינויים בתוך האצווה ובמשך זמן חיים של למפעיל ארוך¹⁸. שיטה זו יכולה לשמש על ידי מדענים חומרים לפתח מפעילים בעלי ביצועים גבוהים עבור הדור הבא של יישומים bioinspired השראת. כמו-כן, בעקבות שיטה זו ללא שינויים מעניקים למהנדסים ולמורים מכשירי רובוטיקה רכים חומר פעיל לפיתוח ולאבי-טיפוס של מכשירים חדשים, או להוראת מושגים ברובוטיקה רכה.

מפעילים פולימריים electromechanically פעילים פולימרים או פולימריים בדרך כלל עשויים שניים או שלושה שכבות מרוכבים למינריות וכיפוף בתגובה לגירוי חשמלי בטווח של כמה וולט (איור 1). זו תנועה כיפוף נגרמת על ידי הנפיחות והתכווצות השפעות בשכבות האלקטרודה, והוא בדרך כלל הביא יחד על ידי התגובות פארואדמית (מחדש) על אלקטרודות (למשל, במקרה של פולימרים electromechanically פעילים (EAPs) כמו פולימרים מוליך) או על ידי טעינה קיבולי של שכבה כפולה (למשל, ב פחמן מבוססי אלקטרודות פולימריים, שם הפולימר יכול לשמש רק כאוגדן). בפרוטוקול זה (איור 2), נתמקד בשני; אנו מראים את הייצור של electromechanically active המורכב המורכב שני שטח משטח ספציפי גבוה מוליך אלקטרוני מבוסס פחמן אלקטרודות כי הם מופרדים על-ידי קרום המוליך יון מוליך המקל על התנועה של הבליטות והאניונים בין אלקטרודות – תצורה דומה מאוד supercapacitors. סוג זה של מפעיל כפיפות בתגובה לטעינה/החלשת קיבוליים והנפיחות/הכיווץ של האלקטרודות מיוחסת בדרך כלל להבדלים בעוצמת הקול ובניידות של הקישות והאנונים של האלקטרוליט^8,10,19. אלא אם כן פחמן המשמש לפני השטח משמש כחומר פעיל או המורכב קיבולי משמש מחוץ לחלון הפוטנציאלי יציבות אלקטרוכימי של האלקטרוליט, התגובות הפראיות לא צפויות להתרחש על סוג זה של אלקטרודות²⁰. חוסר התגובות הפראיות הוא התורם העיקרי טובה אורך חיים ארוך של חומר זה למפעיל (כלומר, אלפי מחזורים באוויר^8,18 המוצג עבור מפעילים קיבולי שונים).

איור 1: מבנה המפעיל המבוסס על פחמן בנייטרלי (א) ובמצב האקטואלי (ב). (ב) גם מדגיש את מאפייני המפתח הקובעים את הביצועים של מפעיל יונית. הערה: האיור אינו נמשך לקנה מידה. גודל יון כבר מוגזם כדי להמחיש את מנגנון האקטוציה הנפוץ ביותר שכיחה במקרה של קרום אינרטי המאפשר ניידות של שני האנטונים והקטיונים של אלקטרוליט (למשל, נוזל יונית). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

השגת קרום פונקציונלי שנשאר ללא פגע לאורך כל תהליך הייצור הוא אחד השלבים העיקריים בהכנה למפעיל מוצלח. קרום בעל ביצועים גבוהים למפעיל הוא דק ככל האפשר ומאפשר מוליכות יונית בין האלקטרודות תוך חסימת מוליכות אלקטרונית כלשהי. מוליכות יונית בקרום יכול לנבוע משילוב האלקטרוליט עם רשת נקבובי אינרטי (למשל, הגישה המשמשת בפרוטוקול זה) או על ידי השימוש של פולימרים ספציפיים עם יחידות משומות מלוכדות או קבוצות אחרות המאפשרות אינטראקציות עם האלקטרוליט. הגישה הקודמת מועדפת כאן למען פשטותו, ואילו אינטראקציות מותאמות במיוחד בין האלקטרוליט לבין רשת הפולימר יכולות להיות גם יתרונות, אם האינטראקציות שלילי (למשל, חסימת או האטת תנועת היונים באופן משמעותי עקב אינטראקציות) ניתן לשלול. המבחר העצום של ionomeric או קרומים פעילים אחרים עבור מפעילים electromechanically פעילים ומנגנוני האקטוציה שלהם שנוצר נבדקו לאחרונה²¹. מבחר הממברנה, בנוסף לבחירת האלקטרודה, ממלא תפקיד מכריע במנגנון הביצועים, החיים והאקטוציה של המפעיל. הפרוטוקול הנוכחי מתמקד בעיקר בקרומים אינרטי המספקים את המבנה הנקבובי לנדידת יונים (כפי שמוצג באיור 1), למרות שחלקים מהפרוטוקול (למשל, אפשרות ממברנה C) יכולים גם להיות מועילים לקרומים פעילים.

בנוסף לבחירת חומר הממברנה, שיטת הייצור שלה גם ממלאת תפקיד חשוב בהשגת מפריד פונקציונלי עבור המורכב. קרום יצוק בשימוש בעבר נוטים להמיס במהלך השלב הלחוץ חם הלחיצה ולכן עשוי ליצור נקודות חמות מעגל קצר²². יתר על כן, ממברנות ionomeric מסחרי (g., nafion) נוטים להתנפח אבזם באופן משמעותי בתגובה ממיסים בשימוש בשלבי ייצור מאוחר יותר¹², וכמה פולימרים (g., תאית²³) ידועים להתמוסס במידה מסוימת בנוזלים יוניים מסוימים, אולי גרימת בעיות עם היכולת לעבור את תהליך הייצור וכ לכן, פרוטוקול זה מתמקד בפעילים עם מרכיב פסיבי וכימית אינטגרלי בקרום (למשל, סיבי זכוכית או משי עם PVDF או מצופה) העוצרת את המורכב מנפיחות וקריסה בשלבי ייצור מאוחר יותר או מתוך יצירת נקודות חמות קצרות מעגל. יתר על כן, התוספת של רכיב אינרטי ופסיבי מפשט את תהליך הייצור באופן משמעותי ומאפשר גדלי אצווה גדולים יותר לעומת שיטות מסורתיות יותר.

הכללת חיזוק פסיבי בקרום הוצג לראשונה על ידי Kaasik et al. ¹⁸ להתמודד עם הבעיות הנ ל בתהליך הייצור של המפעיל. הכללת חיזוק הטקסטיל ארוגים (ראה גם איור 3B ו 3b) עוד מציג את היכולת לשלב כלים לתוך המורכב²⁴ המשולב או לפתח טקסטיל חכם¹⁸. לכן, אפשרות הממברנה C בפרוטוקול מתאימה יותר ליישומים כאלה. עם זאת, במקרה של מפעילים מיניאטורי (ברמת תת מילימטר), היחס הפסיבי-אל-אקטיבי המרכיב הקרום הופך יותר ויותר שלילי והכללת חיזוק הטקסטיל הורה עשוי להתחיל להשפיע באופן שלילי על ביצועי המפעיל ואת מדגם לחזרה לדוגמה היכולת. יתר על כן, הכיוון של חיזוק (לאורך או באלכסון לכיוון כיפוף) עלול להשפיע על הביצועים של מפעילים יותר בצורת ורכבות באופן בלתי צפוי. לכן, מבנה פחות מסודר ונקבובי מאוד מאוד יהיה מועיל יותר עבור מפעילים מיניאטורי וצורות למפעיל מורכבים יותר.

פוליטטרפלואורואתילן (גם ידוע בשמו של הסוחר טפלון) הוא אחד הפולימרים האינרטיים שיודעים עד כה. זה בדרך כלל הידרופובי מאוד, אבל גרסאות מטופלים על פני השטח, כי הם מעובד הידרופילי קיים, אשר ניתן להשתמש בקלות יותר בייצור המפעיל. איור 3A ממחיש את המבנה האקראי של קרום הידרופילי מצופיר אינרטי ששימש בפרוטוקול זה להכנת המפעיל. בנוסף לאחידות של חומר זה בכל הכיוונים, כי הוא מועיל לחתוך מפעילים מיניאטורי או צורות מורכבות, באמצעות קרום סינון מסחרי עם שינויים מבוקרים עוד יותר מפשט את תהליך ייצור המפעיל על ידי כמעט ביטול הצורך של כל הכנת קרום. יתר על כן, עוביים ממברנות נמוכים כמו 30 יקרומטר קשה מאוד להשיג את התצורה מחוזק הטקסטיל שתוארו בעבר. לפיכך, שיטות ייצור של מפעיל מתחת למפעיל (אפשרויות A ו-B) מפרוטוקול זה צריכות להיות מועדפות ברוב המקרים, בהתחשב בכך שהאפשרות A מהירה יותר, אך מפעילים שבוצעו באמצעות אפשרות B מציגים זנים גדולים יותר (בטווח התדרים המוצג באיור 4B). האחיזה הרך הציג בסעיף תוצאות הנציג הוכן גם באמצעות קרום הראש ספוגה באלקטרוליט.

לאחר ממברנה תפקודית הוכנו, הפרוטוקול ממשיך עם הכנת האלקטרודה המצורף אספן הנוכחי. אלקטרודות מבוססות פחמן מתווספים באמצעות תרסיס-הליך הוקמה באופן תעשייתי המאפשר שליטה גבוהה על עובי שכבת האלקטרודה הנובעת. אלקטרודות אחיד יותר מיוצרים עם ציפוי תרסיס לעומת, למשל, שיטת הליהוק (או אולי גם שיטות נוזלי אחרות) שבו משקעי חלקיקי פחמן במהלך הסרט ייבוש²⁵ ידועים להתרחש. יתר על כן, תכונה נוספת של שיטת הייצור המוצגת מסתמך על אסטרטגיית בחירת ממס כי הוא החשוב ביותר במקרה של טקסטיל מחוזק הקרומים. ליתר דיוק, 4-מתיל-2-מחומש (הממס השעיית האלקטרודה ופתרון דבק) אינו מפזר את החיזוקים הממברנה האינרטי או PVDF המשמש בתמיסה הממברנה של הממברנה מחוזק הטקסטיל. לכן, הסיכון ליצירת נקודות חמות קצרות במעגל המורכב במהלך ציפוי ספריי מופחת עוד יותר.

לרבד קיבולי כבר פעיל לאחר היישום של אלקטרודות פחמן. עם זאת, הסדר של מפעילים בגודל מהיר יותר²⁶ מתקבלים עם היישום של אספנים הנוכחי זהב. צעד חשוב נוסף בפרוטוקול הוא ההחזקה של אספנים הנוכחי בעוד האלקטרודה המתאימה היא במצב מתוח (כלומר, המורכב הוא מכופף). לכן, במצב הנייטרלי הניטרלי של המפעיל, עלה הזהב יהיה החגורה ברמת subמילימטר. זה אגירה-by-קריסה²⁷ גישה מאפשרת דפורמציות גבוהות יותר ללא שבירת מאשר אחרת היה אפשרי עבור קנס (~ 100 nm) גיליון מתכת.

כל שלבי ייצור המפעיל (הכנה לממברנה, התזת אלקטרודות, מצורף לאספן הנוכחי) מסוכמים גם באיור 2. לצורך הדגמת אפיון הביצועים, הכנו אחיזה המוכנה באופן מיותר לאחיזה, החזקה והפצת חפץ אקראי במרקם משטח אקראי. גיאומטריות פשוטות יותר, כגון דגימות מלבניות עם 1:4 או יחס רוחב-גובה גבוה יותר (למשל, 4 מ"מ עד 20 מ"מ או אפילו 1 מ"מ עד 20 מ"מ²⁸) גזור מתוך החומר הפעיל מהודק בעמדת הזיז גם אופייני מאוד לאפיון חומר או יישומים אחרים ניצול התנהגות כיפוף סוג.

המאמר מסתיים עם הקדמה קצרה לתוך האפיון הטיפוסי יונית electromechanically פעיל חומר קיבולי טכניקות לפתרון באמצעות הגיאומטריה מלבני פשוט יותר. אנו מראים כיצד להשתמש בטכניקות שכיחות לאפיון אלקטרוכימי כגון מחזורי וולטממטריה (CV) וספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימי (EIS) כדי לאפיין ולפתור את החומר למפעיל ביתר פירוט. ההדמיה של הקומפוזיט ברמה תת-מילימטר נעשית באמצעות סריקת מיקרוסקופ אלקטרוני (SEM), שעבורו אנו משתמשים בטכניקת ההקפאה כדי להכין את הדגימות. הטבע הפולימרי של החומר מקשה על השגת חתכים ברורים עם חיתוך רגיל בלבד. עם זאת, שבירת דגימות קפואות התוצאות במקטעים מוגדרים היטב.

איור 2: סקירה של תהליך הייצור. השלבים החשובים ביותר מסומנים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

התראה: כימיקלים ורכיבים רבים המשמשים בפרוטוקול זה הם מסוכנים, נא להתייעץ עם גליונות הנתונים של הבטיחות הרלוונטיים (SDS) לקבלת מידע נוסף לפני תחילת הניסוי. אנא השתמשו בציוד הגנה אישי (כפפות, משקפיים, מעיל מעבדה) כאשר מטפלים בממיסים נדיפים במהלך הניסוי (למשל, במהלך הכנת הפתרונות, הכנת הקרום המחוזק, ציפוי האלקטרודות והצמדת האספנים הנוכחיים). למנוע מגע ישיר של העור עם המורכב הסופי (אלא אם הוא כבוש²⁸) על ידי לובש תמיד כפפות.

1. הפיכת קרום ההפרדה

1. קח מסגרת, כגון מסגרת רקמה.
   הערה: השתמשנו בגודלי מסגרת סטנדרטיים מ 7.5 ס"מ עד 25 ס"מ בהתאם לגודל האצווה הרצוי. החשוב ביותר, המסגרת צריכה להיות עשויה מחומרים שיכולים לעמוד ממיסים וחומרים אחרים המשמשים במתכון. לדוגמה, מסגרת רקמה בפוליפרופילן משמשת בפרוטוקול זה. עם זאת, אם לא בטוח, ביצוע בדיקת ממס על המסגרת מומלץ.
2. בחר בין אפשרויות א- ג ( שנדונו מעל והוצג באיור 2) כדי למצוא את תצורת הממברנה המתאימה ביותר עבור היישום המתוכנן. רק אחד מתוך שלושת הקרומים צריך להכין חומר פונקציונלי למפעיל.
3. אפשרות A: שימוש בקרומים מסחריים מאוד נקבובי בהכנת מפרידים מוליכי יונים
   1. קחו את קרום הסינון הגבוה ביותר (כגון עובי של 30 יקרומטר, 80% נקבוביות מסנן ממברנה). אם המסנן הרגיל גדול מדי עבור המסגרת, חתוך אותו לתוך הצורה באמצעות מספריים. חותכים את הקרום בין גיליונות להעביר כדי למנוע זיהום.
   2. להדק ולמתוח את קרום הסינון היבש על המסגרת.
      הערה: ממברנות סינון מסוימים יכולים להיות שבריריים למדי במצב יבש. הדק את הקרומים היבשים בזהירות רבה כדי להימנע מקריעה.
   3. מעבר לשלב 2 כדי להמשיך בהכנה המורכבת הelectromechanically הפעילה.
4. אפשרות ב': שימוש בקרומים אלקטרוספוגים לסינון מסחרי בהכנת מפרידי יונים
   1. קחו את קרום הסינון הגבוה ביותר (כגון עובי של 30 יקרומטר, 80% נקבוביות מסנן ממברנה). אם המסנן הרגיל גדול מדי עבור המסגרת, חתוך אותו לתוך הצורה באמצעות מספריים. חותכים את הקרום בין גיליונות להעביר כדי למנוע זיהום.
   2. הקלט את מסת הממברנה היבשה באמצעות איזון אנליטי כדי לחשב ספיגת אלקטרוליט מאוחר יותר. שלב זה נדרש רק עבור לחזרה אצווה-to-אצווה לעבור ניטור וניתן לדלג אחרת.
   3. מניחים את הקרום היבש בצלוחית פטרי ומשתמשים בפיפטה כדי להוסיף עודף של נוזל יונית (למשל, 1-אתיל-3-מתיונין טריפלואורומאטאנולולנדאוולולאסולולאולפותאכאבולפויום ([EMIM])).
      התראה: השתמש בכפפות כדי למנוע מגע עם העור.
   4. להטות מעט את הדיסק פטרי כדי לוודא כי הקרום כולו מכוסה נוזל יונית או להשתמש בפיפטה כדי להעביר נוזל יונית לאזורים שבהם הקרום עדיין יבש.
   5. תנו לקרום לטבול בנוזל יונית כדי להשיג ספיגת אלקטרוליט מקסימלית.
   6. לאחר הקרום הוא ספוג מספיק (בווידאו לאחר כדקה 1), ללטף את רוב נוזלי יונית עודף.
   7. שימוש בפינצטה, מניחים בזהירות את הקרום בין ניירות הסינון כדי להסיר את שאר הנוזל יונית כי לא נספג על ידי הקרום. הקרום האחרון צריך להיות שקוף למחצה אבל לא רטוב.
   8. הקלט מסה של קרום ספוג ומיובש משלב 1.4.7 באמצעות איזון אנליטי. שלב זה נדרש עבור החזרה אצווה-to-אצווה הניטור היכולת בלבד, ניתן לדלג בדרך אחרת.
      הערה: במקרה של ממברנות נקבובי מאוד ונוזלים בעלי צמיגות נמוכה יחסית (למשל, [EMIM] [OTf]), ספיגה נוזלית מקסימלית מושגת כמעט מיד. שימוש בנוזלים יוניים שונים וממברנות פולימריים שונות (פחות נקבובי) עשויים לגרום לתקופות הטבילה ארוכות יותר. צורך כזה יכול להיקבע על ידי חזרה על הצעדים ה1.4.1 ל1.4.8. עד להשגת מסת קרום קבועה. עם זאת, אם האלקטרוליט הוא צמיגי מדי או שהקרום אינו נקבובי מספיק, ייתכן שביצועי המפעיל לא יהיו גבוהים מאוד.
   9. להדק ומתוח קרום ספוג ומיובש על המסגרת הימנעות קמטים וקפלים.
5. אופציה ג':ביצוע ממברנה מוליך הטקסטיל מחוזק העשוי להיות שימושי כאשר מתכננים להשתמש פולימרים מותאמים אישית (כלומר, פולימרים לא זמינים כקרום מסחרי (סינון), עוביים הממברנה מותאם אישית, נוזלים יוניים עם צמיגות גבוהה יותר או בעת שילוב כלים למפעיל. כאן אנו מראים את ההליך הבסיסי לייצור הממברנה מחוזק טקסטיל שיכול, למשל, להיות שונה כדי לכלול כלים או אבובים (ראה Ref²⁴לקבלת מידע נוסף).
   1. ב 100 mL Erlenmeyer אייר בקבוקון, מערבבים יחד 2 גרם של polyvinylidene פלואוריד (PVDF), 2 גרם של נוזל יונית (למשל, [EMIM] [OTf]), 4 מ ל של פרופילן פחמתי (PC) ו 18 מ ל של N, N-diמתילמאמיד (DMAc).
      התראה: DMAc ו-PC הם מפגעים רעילים ובריאותיים יכולים לגרות את העור והעיניים. לטפל בזהירות, להשתמש במנוע וציוד הגנה אישית.
   2. הוסף בר מגנטי וסגור את הבקבוקון עם פקק.
   3. לאטום את הבקבוקון עם מעבדה מבוססי פוליאתילן סרט למתוח כדי למנוע אידוי של ממיסים.
      הערה: השתמש בסרט למתוח שיכול לעמוד בקצב של 70 ° צ' (למשל, נקודת ההיתוך של Parafilm היא רק 60 ° c, ולכן Parafilm לא יהיה מתאים ליישום זה).
   4. מערבבים את התמיסה לילה ב-70 מעלות צלזיוס בעזרת מערבב מגנטי ופלטה מבוקרת טמפרטורה. הגדר את מהירות הערבוב לבינונית. מהירות ערבוב גבוהה מדי עלול להחדיר יותר מדי אוויר לתוך הפתרון, בעוד קצב איטי מדי עלול לגרום לזמן הכנה ארוך יותר משמעותית.
      הערה: ניתן להשהות את הניסוי כאן ולהמשיך מאוחר יותר. ניתן לאחסן את הפתרון המוכן בכלי אטום לתקופה ממושכת. לחמם מחדש ולערבב את הפתרון המאוחסן לפני שמתחילים להשתמש בו שוב (ערבוב ב 70 ° c עבור 1 שעה הוא בדרך כלל מספיק).
   5. גזור פיסת בד (למשל, בד משי או סיבי זכוכית) באמצעות מספריים.
      הערה: טקסטיל עם הרכב סיבים אינרטי כגון משי או סיבי זכוכית עבודה הטובה ביותר משום ממיסים מהפתרון הממברנה לא לפזר אלה. עם זאת, מומלץ לבצע בדיקת ממס לפני השימוש כל בד. בדים קלים הם העדיפו כי בדים אלה להשפיע על הגשמה של המורכב הסופי הפחות. בסרטון, השתמשנו בד משי ארוג (11.5 g/m²).
   6. להדק ולמתוח את הבד על מסגרת.
   7. לקצץ כל בד עודף באמצעות מספריים ובזהירות להסיר את כל הסיבים רופף ביד.
   8. במהלך העבודה מתחת למכסה המנוע, כסו את הבד בשכבה דקה של תמיסת ממברנה באמצעות מברשת צבע.
   9. . תנו לשכבה להתייבש לגמרי אקדח אוויר חם במהירות נמוכה לבד הראשון ומאוחר יותר יחד עם התקנה ייעודי (ראה איור 5 לפרטים) ניתן להשתמש כדי להאיץ את תהליך אידוי הממס.
      הערה: שימוש בקצב ספין גבוה מדי עם הכיוונון הייעודי על קרום רטוב יחסית עלול לגרום לדפורמציות על שכבות הממברנה ועלול לגרום לאבדן חומר ממברנה.
   10. לאחר שהשכבה מיובשת, בדוק את השילוב נגד תאורה אחורית לחורים. מיקרוסקופ יכול לשמש גם למטרה זו.
   11. אם יש חורים בקרום, להחיל שכבה נוספת של ציפוי על ידי שלבים חוזרים 1.5.8. ו1.5.9.
   12. לסירוגין בין הצדדים של הטקסטיל כאשר מיישמים את הפתרון הממברנה כדי להבטיח את החיזוק (כלומר, המישור הנייטרלי) נשאר באמצע הקרום (לראות את התמונה SEM באיור 3D המציגה סיבי טקסטיל ממוקם באמצע שכבת הממברנה).
       הערה: הממיסים בתמיסה הפולימר ממיסים את השכבות שהוחלו בעבר לאט. לכן, הוסיפו שכבות ממברנה עוקבות בזהירות מירבית כדי למנוע נזק לקרום שכבר הוחל. החילו כשכבות דקות ככל האפשר ולעולם אל תלכו משטחים רטובים כבר פעמיים.
   13. לאחר שהושג קרום נטול פגמים, בדוק את עוביו הסופי באמצעות מד בורג מיקרומטר. בדרך כלל, לפחות שלוש שכבות צריך להיות מיושם, וכתוצאה מכך ממברנה עבה 50 יקרומטר.
   14. תנו לממברנה הגמורה לאחר ייבוש מתחת למכסה המנוע למשך 24 שעות לפחות.
       הערה: ניתן להשהות את הניסוי כאן ולהמשיך מאוחר יותר בריסוס האלקטרודות. עם זאת, מומלץ להגן על הקרום המוכן נגד חלקיקי אבק במהלך הייבוש.

2. הפיכת האלקטרודות

הערה: השעיית האלקטרודות מורכב מפתרון אלקטרודה A (פתרון פולימרי) והשעיית אלקטרודה B (המכיל את אבקת הפחמן והאלקטרוליט) המוכנים בנפרד ולאחר מכן מעורבים יחד כדי להשיג את ההשעיה הסופית. הממס שנבחר עבור השעיית האלקטרודה אינה מתמוססות את החיזוקים הממברנה האינרטי או PVDF המשמש את התצורה של ממברנה מחוזק הטקסטיל. לכן, הסיכון להזיק לקרום שהושג כבר במהלך הוספת אלקטרודות נשמר למינימום.

1. הכנת פתרון האלקטרודה
   1. ב 100 mL Erlenmeyer אייר בקבוקון, לערבב יחד 2 גרם של פולי (ויניולידe פלואוריד-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) ו 24 מ ל של 4-מתיל-2-פנטאנ1 (MP).
      התראה: MP הוא דליק ורעיל בטירוף. . תשתמש בציוד הגנה אישי
   2. הוסף בר מגנטי וסגור את הבקבוקון עם פקק.
   3. לאטום את הבקבוקון עם מעבדה מבוססי פוליאתילן סרט למתוח.
   4. מערבבים את התמיסה במהירות בינונית ב-70 ° c באמצעות מערבב מגנטי ופלטה מבוקרת טמפרטורה, עד שהפולימר מומס לחלוטין, בדרך כלל בן לילה.
      הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן. ניתן לאחסן את הפתרון המוכן בתוך כלי סגור ואטום לתקופה ממושכת. אם הפתרון הפך ג'ל, לחמם מחדש (עד 70 ° c) ולערבב אותו לפני השימוש בו בשלב 2.3. אין צורך להוסיף יותר ממס. בדרך כלל, את הכמויות של מתכון זה תשואה על 150 ס מ² של חומר פעיל (עובי המורכב הסופי על 150 μm). זה תואם 2 10 ס מ קוטר אצוות מסגרת רקמה.
2. הכנת הבולם האלקטרודה B
   1. ב 100 השני mL Erlenmeyer בקבוקון, לערבב יחד 1.75 g של פחמן (g., קרביד פחמן נגזר טיק או B₄C קודמן), 2 גרם של נוזל יונית (למשל, [emim] [otf]) ו-10 מ ל של MP.
      התראה: אפקטי טעינה אלקטרוסטטית לא רצויים עלולים לגרום לקושי רב במשקל אבקת הפחמן. ללבוש הנעלה מתמוסס סטטי במהלך שקילה כדי להפחית את הצטברות של חשמל סטטי. כמו-כן, השתמש בציוד מגן אישי כדי למנוע את האינהלציה של חלקיקי פחמן עדינים.
   2. מערבבים את ההשעיה בכלי סגור בטמפרטורת החדר עבור לפחות 1 h באמצעות מערבב מגנטי. לחילופין, בדיקה אולטראסאונד ניתן כבר להשתמש בשלב זה (ראה שלב 2.3.4)
      הערה: ניתן להשהות את הניסוי כאן, ואת B ההשעיה ניתן לאחסן או מעורב בכלי סגור אטום לתקופה ממושכת לפני ערבוב זה עם פתרון A כדי להשיג את השעיית האלקטרודה הסופית.
3. הכנת השעיית האלקטרודה הסופית
   1. ודא כי הפולימר בפתרון A הוא מומס לחלוטין על ידי הטיית הבקבוקון מעט כדי לזהות כל כדורי פולימר לא מומס (או חתיכות) וכי הפתרון הוא בצורת צמיגה אך נוזלי. אם לא, אז לערבב ב 70 ° צ' לפני שתמשיך בשלב הבא.
   2. יוצקים את פתרון האלקטרודה A (פתרון פולימרי) לתוך הבקבוקון המכיל את הבולם האלקטרודה B (פחמן, נוזל יוניים, ממס).
   3. השתמש נוסף 10 מ ל של MP לשטוף את כל החומר הנותר מהקירות של בקבוקון A ולשפוך אותו השעיה הסופי ב בקבוקון B.
   4. לטבול את הבדיקה אולטרסאונד בהשעיה הסופית, לקבוע מחזור 0.5 (פולסים) ו המגון את ההשעיה מתחת למכסה המנוע למשך שעה אחת. הימנע מקשר בין הגשוש לבין קירות כלי הזכוכית. לחילופין, אם אין בדיקה אולטרה סאונד זמין, ערבוב עם שטירר מגנטי במשך כמה שעות ללילה בספינה אטומה ניתן להשתמש.
      הערה: ניתן להשהות את הניסוי כאן, והשעיית האלקטרודה הסופית יכולה להיות מאוחסנת או מעורבת בכלי קיבול סגור ואטום לתקופה ארוכה.
4. התזת אלקטרודות
   הערה: מברשת אוויר של Iwata HP TR-2 משמשת כאן להכנת האלקטרודות. עם זאת, סוגים אחרים של כלי נשק ספריי ומערכות ריסוס אוטומטי תעשייתי ניתן לחילופין להשתמש.
   1. כיסו את קירות העישון בנייר בעבודה כבדה והדבק לניקוי קל יותר לאחר מכן. . אל תכסה את אזור צריכת האוויר שמרו על מכסה המנוע נמוך ככל האפשר במהלך הריסוס.
   2. חברו את מברשת האוויר לאספקת האויר הדחוסה והתאימו את הלחץ (כאן, נעשה שימוש בחיבורים סטנדרטיים ובלחץ של 2 בארים).
      הערה: הלחץ צריך להספיק כדי לשאת את ההשעיה, אבל לא גבוה מדי כדי לפגוע בקרום.
   3. ממלאים את המאגר של מברשת אוויר עם אצטון (או כל ממיס תואם אחרת) ולבדוק ריסוס על פיסת נייר או קרטון תחילה כדי לבדוק את מברשת האוויר נקי ללא חסימות.
   4. בדוק אם ההשעיה אלקטרודה מוכן בשלב 2.3 הוא בצורה נוזלית על ידי הטיית הבקבוקון. במקרים מסוימים, הוא עשוי להפוך ג'ל אם הוא מאוחסן לתקופה ממושכת. החום אותו ל70 ° c בזמן ערבוב עם בר מגנטי באמצעות פלטת שליטת טמפרטורה כדי להפוך אותו לנוזל שוב. אין צורך להוסיף יותר ממס.
   5. יוצקים את ההשעיה אלקטרודה מן הבקבוקון Erlenmeyer אייר לתוך מאגר נקי של מברשת אוויר.
   6. בדוק את זרימת ההשעיה. על פיסת נייר קודם ואז להמשיך לכסות את הקרום המוכן.
   7. התחל להזיז את מברשת האוויר לפני שתתחיל לרסס. רסס במרחק של כ 20 ס מ והחזק את מברשת האוויר בניצב לקרום. לשמור על מברשת אוויר נע משיכות ישר ומבוקרת לכסות את הקרום כולו.
   8. שימו לב למספר התורים שלוקח לכסות צד אחד של הקרום, או לחילופין לנטר את נפח ההשעיה שנוסף למאגר כדי להבטיח עוביים שווים בשני צידי הקרום.
   9. תן את האלקטרודה בצד אחד של הקרום יבש מתחת למכסה המנוע. אקדח אוויר חם יכול לשמש כדי להאיץ את תהליך הייבוש במידת הצורך (ראה Step 1.5.9).
   10. החל את האלקטרודה השנייה בצד השני של הקרום על ידי צעדים חוזרים 2.4.7 כדי 2.4.9.
   11. לכסות את שני הצדדים של הקרום פעמים מרובות עד לעובי המורכב הרצוי הוא הגיע (כאן העובי הסופי היה כ 150 μm). נטר את עובי הפריק היבש באמצעות מד בורג מיקרומטר.
       הערה: ניתן להשהות כאן את הניסוי. ניתן לאחסן את הקומפוזיט היבש בשקית zip לתקופה ממושכת לפני חיבור האספנים הנוכחיים בשלב 3.

3. חיבור קולטי הזהב הנוכחיים

1. הכנת פתרון הדבק
   הערה: ניתן להכין פתרון זה לפני הזמן יחד עם השעיית האלקטרודה (ופתרון הממברנה). הקפד לחמם את הדבק לפני השימוש בו כדי להפוך אותו פחות צמיגי.
   1. ב 100 mL Erlenmeyer אייר בקבוקון, מערבבים יחד 2 גרם של PVDF-HFP, 2 גרם של נוזל יונית (למשל, [EMIM] [OTf]), 4 מ ל של מחשב ו 40 mL של MP.
   2. להוסיף מערבב מגנטי, לסגור את הבקבוקון ולאטום אותו עם מבוססי פוליאתילן הסרט למתוח מעבדה.
   3. הפתרון מתערבב ב-70 ° c על פלטת שליטת טמפרטורה עד שהפולימר מומס, בדרך כלל בן לילה.
2. חיבור האספן הנוכחי אל מורכב הפחמן (צד אחד)
   1. הסר בעדינות את חומר המפעיל המוכן בשלב 2 מהמסגרת.
   2. חותכים פיסת 4 ס"מ x 3 ס מ באמצעות סרגל ואזמל. אם נעשה שימוש בממברנה מחוזק טקסטיל, יישר את החתך עם הסיבים (הגלויים מקצות החומר המורכב).
      הערה: גודל החיתוך המוצע הוא הנוח ביותר עבור אצוות קטנות לגודל בינוני. עם זאת, זה לא חיוני להשגת מפעילים עבודה.
   3. קח צינור מתכת (כאן d = 3 ס מ) ולתקן את פיסת חתך הדוק על זה באמצעות קלטת. נסה לחפוף רק כ-1 מ"מ מחומר המפעיל עם הקלטת כדי להימנע מבזבוז החומר הפעיל.
      הערה: חומר הצינור או הציפוי שלו צריכים לעמוד במסים ששימשו לפתרון הדבק. הרכב המדויק אינו חיוני לקבלת מפעילים עבודה. חומרים המבצעות חום היטב (למשל, מתכות) עשויים להועיל בהאצת תהליך הייבוש. עם זאת, צינורות קרמיקה או פולימר או צינורות עשויים להיות מתאימים גם.
   4. באמצעות מספריים, לגזור 4 ס"מ x 4 ס מ פיסות זהב על נייר להעביר ולמקם את אחד החלקים על נייר טישו.
      הערה: הצבת עלי הזהב על נייר העברה על משטח רך יותר הוא חיוני להשגת אספנים הנוכחי באיכות טובה.
   5. להכין תחנת "עגינה" עבור האקדח ספריי, שם זה יכול להיות במהירות ובבטחה מאוחסן במצב זקוף. הדבק יתחיל להתייבש ברגע ריסוס הוא נעצר ולכן הוא חיוני כי אין עיכובים ביישום אספנים זהב הנוכחי.
   6. במהלך העבודה מתחת למכסה המנוע, רסס את פתרון הדבק משלב 3.1.3 על חומר המפעיל שתוקן על גבי צינור (Step 3.2.3).
   7. גלגל את הצינור מעל עלה זהב (Step 3.2.4) כאשר הדבק עדיין רטוב. אין צורך בלחץ מופרז כדי להתגלגל.
   8. הסר את נייר ההעברה והתגלגל שוב על נייר הטישו כדי לוודא שהזהב מחובר כראוי.
   9. מניחים את החומר תחת אור אינפרא אדום (IR) (מרחק 10 עד 15 ס מ) או לתוך תנור ואקום (ואקום הגבוה ביותר האפשרי בטמפרטורת החדר) להתייבש במשך כ -20 עד 30 דקות.
   10. אם האספן הנוכחי לא התחבר כראוי או שיש כמה פגמים גדולים יותר, חזור על שלבים ש3.2.3 ל3.2.9 כדי להוסיף שכבה שנייה לאחר שהשכבה הראשונה התייבש כדי להשיג מלקט עדכני לחלוטין ללא פגם.
3. חיבור האספן הנוכחי בצד השני של המורכב.
   1. הסר את הקלטת בעדינות ושחרר את החומר מהצינור.
   2. נקו את הצינור עם אצטון ונייר טישו כדי להסיר דבק ושאריות זהב.
   3. תקן שוב את חומר המפעיל על הצינור עם מצופה זהב בצד הפונה לצינור.
   4. חזור על הצעדים ש3.2.3 כדי ל3.2.10 לצרף את האספן הנוכחי בצד השני של החומר.
   5. הסירו בזהירות את הרכב המורכב מהצינור והשאירו אותו לאחר ייבוש מתחת למכסה המנוע למשך 24 שעות לפחות.
      הערה: הגנה על החומר נגד חלקיקי אבק. לאחר ייבוש, ניתן לאחסן את החומר בשקית נעילה. להשאיר את המדגם להתייבש על הצינור בטמפרטורות גבוהות במקום תקופה ממושכת (מספר שעות עד ימים) התרמוטפסים המפעיל ולכן יש להימנע אלא אם התרמוforming היא המטרה.

4. גזירה, עיצוב, יצירת קשר ואפיון מפעילים

1. חיתוך המפעיל
   1. השתמשו באזמל חד (ובסרגל מתכת) כדי לחתוך את המפעיל לצורה הרצויה. תמיד חותכים את כל הצדדים של החומר כדי למנוע מעגלים קצרים הנגרמים על ידי עודף זהב על הצדדים של המפעיל.
      הערה: חיתוך החומר באמצעות מספריים אינו מומלץ, שכן הדבר עלול לפגוע בחומר ולגרום למעגלים קצרים בדפנות המדגם.
2. עיצוב המפעיל (לדוגמא, לאחיזה)
   הערה: הצורה של חומר זה מורכב פולימריים ניתן בקלות לשנות מתוך למינציה שטוח למשהו מתקדם יותר עבור יישומים מעניינים יותר. בהתאם לתצורה הרצויה, ייתכן שיהיה צורך לצרף תחילה אנשי קשר.
   1. קח את המפעיל לחתוך ולמקם אותו עובש (למשל, לתוך בקבוקון זכוכית קטן כפי שמוצג בסרטון).
   2. מניחים את המדגם לתוך תנור לפחות שעה אחת ומחממים עד 60 ° c.
3. שימוש במפעיל
   הערה: בסרטון, אנו מציגים קשרים מגנטיים מותאמים אישית ושינו קליפים קלווין ליצירת קשר. בשני המקרים, לוחיות הזהב של 24k הן החומר היחיד במגע ישיר עם המפעיל.
   1. הדק את המפעיל בין אנשי קשר שאינם מגיבים באמצעות אלקטרוכימית (לדוגמה, זהב).
      הערה: לחץ המגע צריך להספיק כדי לקבל מגע חשמלי אמין, אבל לא גבוה מדי כדי לגרום לדפורמציות קבועות.
   2. החל מתח שלב (או נוכחי) או השתמש באותות בקרה מסובכים יותר כדי לשלוט במפעיל. בדרך כלל, מתח צעד של ± 2 V או פחות השתמשו כדי לנהוג בסוג זה של מפעילים. ראה Ref²⁴ לקבלת מידע נוסף אודות שיקולי בקרת מפעיל.
   3. במקביל להקליט את האקטוציה באמצעות מד הזחה לייזר או מצלמת וידאו.
4. שבירה מבוססת על הדמיה של SEM (מפעילים מבוססי)
   הערה: שבירת הדגימות לאחר הקפאת אותם בחנקן נוזלי היא הגישה המועדפת לקבלת חתך רוחב נקי במהלך הדמיה של SEM.
   התראה: לעולם אל תסגור את המכסה של מיכל חנקן נוזלי בחוזקה. הצטברות הלחץ ושחרורו הבאים עלולים לגרום לפציעות חמורות. כמו-כן, החנקן הנוזלי מצטמצם ל-196 ° c, ולכן יש לנקוט גם כדי למנוע פציעות בשל הטמפרטורות הנמוכות.
   1. יוצקים חנקן נוזלי לתוך מכולה בידוד תרמי (למשל, גביע קצף חד פעמי)
   2. ראשית, מניחים את המדגם ומאוחר יותר את כלי מתכת לתוך חנקן נוזלי ולתת את הדגימה להקפיא במשך 1 דקות.
      הערה: קירור כלי מתכת (למשל, אזמל או מלקחיים) מומלץ למנוע כל מדלל אפשרי עקב הבדלי טמפרטורה. עם זאת, כלים צריכים זמני צינון קצרים יותר מאשר המשולב פולימר הודות למוליכות תרמית טובה יותר של מתכות. כמו-כן, לא ניתן להתמודד עם כלי מתכת מקורר עמוקות.
   3. לתפוס את המדגם קפוא עם שתי סטים של מלקחיים מקורר ולשבור אותו.
5. שבירה עבור הדמיה SEM (מפעילים מחוזקים טקסטיל).
   הערה: השימוש בטקסטיל מחוזק (במיוחד אם נעשה שימוש בסיבי זכוכית) עלול לא להישבר אפילו במצב קפוא. לנקות את החלקים ניתן להשיג על ידי גזירה באמצעות להב מקורר.
   1. הקפא את המפעיל ואזמל בחנקן נוזלי (עיין בהערה בשלב 4.4.2).
   2. מניחים את הדגימה הקפואה על משטח חיתוך שאינו מקל (לדוגמה, גוש מצופה) וקוצצים את חומר המפעיל בעזרת האזמל הקורר.

נקודת הקצה הראשית להבחנה בין ניסיון מוצלח לניסוי שנכשל היא תגובת החומר לאותות חשמליים לאחר יצירת קשר עם ספק כוח. בהנדסת חשמל, נחושת הוא חומר ידוע ליצירת קשר. עם זאת, נחושת הוא גם פעיל אלקטרוכימית ולכן לא מתאים ליצור קשר עם מערכת יונית הציג כאן. שימוש במגעים עם נחושת עלול לגרום למעגלים קצרים עקב היווצרות דנדט דרך המורכב. כמו-כן, במקרה של אפיון חומרי, אי אפשר להבחין בין זרמים (והגשמה) הנובעים מחומר אלקטרואקטיבי והנובע מפעילות אלקטרוכימי של נחושת²⁹. בעבר הצגנו כי הגשמה – אם כי לא אמין – ללא כל חומר פעיל מוסף (כלומר, ללא הפחמן מבוסס או אלקטרודות פולימר מוליך) אפשרי במקרה של ממברנות ionomer רטוב (למשל, Nafion) ומסופי נחושת רק²⁹. לכן, כל הניסויים עם החומר הפעיל כאן בוצעו באמצעות מגעים בזהב אינרטי בלבד.

ספקטרוסקופיית עכבה אלקטרוכימי (EIS) היא שיטה גמישה לאפיון ופתרון בעיות של חומר למפעיל קיבולי לפני השימוש. ספקטרום העכבה באיור 4C ו -4c נתפסו באמצעות פוטנציאל/גלונוספSTAT/FRA בתצורת שתי האלקטרודה. המדגם (20 מ"מ x 4 מ"מ x 150 μm) הוצב בין אנשי הקשר זהב, אות הקלט משרעת במהלך מדידת העכבה הוגדרה 5 mV_RMS ותדרים מ 200 kHz ל 0.01 Hz נסרקו. איור 4C ו 4c להראות את ספקטרום העכבה אופייני מן הפעילים עם גבוה (~ 300 Ω ס"מ²) או עם נמוך (~ 5 Ω ס"מ²) התנגדות פנימית, בהתאמה. הספקטרום הוקלט באמצעות מדגם עם ממברנה יבשה ומדגם נוסף עם הקרום הספוג, בהתאמה. מוליכות יונית גבוהה יותר דרך החומר נוטה להתאים מפעילים מהירים יותר ואולי גם העקירה יותר בתדר זהה (ראה איור 4B), אם כל הפרמטרים האחרים (למשל, פרמטרים מכניים) נשמרים ללא שינוי, החומר בכלל פעיל.

האופי הגמישה של EIS מועילה במיוחד לאיתור מעגלים קצרים בקומפוזיט. במקרה של מפעילים שהוכנו בעקבות הפרוטוקול הנוכחי, מעגלים קצרים נגרמים בדרך כלל על ידי פסולת מלקט הנוכחי על הצדדים של המפעיל (ראה הוראות חיתוך בשלב 4.1.1) או לעתים רחוקות יותר על ידי קרום פגום (למשל, כאשר לא לכסות את כל החורים בקרום מחוזק הטקסטיל כפי שהורו בסעיף 1.5). שאיפה (במקרה זה מעגל קצר) יוצגו כנקודה על העלילה נייקוויסט של ניסוי EIS. התבוננות תגובה כזאת היא מחוון מסוים של מדגם פגום (ראה איורים 4C ו 4c עבור ספקטרום התייחסות של מפעילים קיבולי פונקציונלי). דגימות קצרות מקוצר בדרך כלל לא לממש. יתר על כן, אלה בדרך כלל להיות מיוצר חסר תועלת לצמיתות בשל הסקה התנגדות ואת המסת כתוצאה של המורכב כאשר ניסה אקטואט.

בצורתו הפונקציונלית, חומר זה הוא קבל שכבה כפולה המציגה תנועה כיפוף בתגובה לטעינה ולהיפטר של שכבה כפולה תודות אלקטרוליטים המותאמים במיוחד המשמשים הייצור שלה. מחזורית וולטממטריה (CV) היא טכניקה נפוצה בתחום האלקטרוכימיה ללמוד מערכות שונות. במהלך ניסוי קורות חיים, הפוטנציאל של האלקטרודה העובדת (במקרה זה אחד האלקטרודות של המפעיל) הוא מגוון לגבי אלקטרודה נגדית (כאן האלקטרודה השנייה של המפעיל) עם מהירות קבועה (למשל, 800 mV/s בין ± 2 V) ואת התגובה הנוכחית מהמערכת נרשם באמצעות פוטנציאל. תגובה נוכחית טיפוסית של למינציה קיבולי מוצג באיור 4E. התגובה הנוכחית של המדגם עם ממברנות מצופחת (באפור כהה ב 4E) דומה לזה של קבל אידיאלי: הזרם אינו תלוי בפוטנציאל האלקטרודה ולאחר היפוך הפוטנציאל, הכיוון הנוכחי (ולכן הסימן שלו) משתנה (כמעט) מיד, וכתוצאה מכך באופן מלבני (כמעט). התגובה הנוכחית של המדגם עם קרום יבש בתחילה (בוורוד 4E) מראה פחות התנהגות הקבל אידיאלי בקצב הזה סריקה, כנראה עקב עמידות פנימית גבוהה של החומר (כפי שמעידים גם על ידי eis באיור 4e). עדיין, שתי הדגימות מראות את הטבע הקיבולי של המורכב. לעומת זאת, קווים אפורים בהירים באיור 4E מראים התנהגות אפשרית מדגימות פגומות (לדוגמה, מקצרים מאוד) שיעקבו אחר חוק ה אוהם.

הביצועים של מפעילים פונקציונליים שונים מוצגים באיור 4A ובאיור 4a. איור 4A מראה תמונות מתוך וידאו שבו מפעיל 5 אצבעות תרמוקים למפעיל, מחזיק ומשחרר אובייקט בצורת אקראי בתגובה לצעדי מתח. גאומטריות פשוטות יותר משמשות בדרך כלל למטרות אפיון חומרים. לדוגמה, איור 4b מדגיש את מפעילים הממברנה היבשים והספוגים "כיפוף מירבי של זווית^28,30 בתגובה לאותות מתח משולשים בין ± 2 V. על מנת לאפיין חומרים למפעיל שונים, דגימות (4 מ"מ x 20 מ"מ x 150 μm) הוצבו בין מהדק זהב בעמדת הזיז (עוזב 18 מ"מ באורך חופשי לצורך הופעה) ואת זווית כיפוף נרשמה באמצעות מצלמת וידאו. לחילופין, התנועה של נקודה אחת לאורך המפעיל (למשל, 5 מ"מ מאנשי הקשר) כבר מנוטרים בזמן ומשמש להתאמץ חישובים ההבדל^31,32. עיבוד וידאו, למרות מסובך יותר, מספק מידע נוסף על הפרופיל כיפוף כולו של המדגם גם מאפשר לנתח מחדש את הביצועים מאוחר יותר, אם צורך כזה צריך להתעורר. הנקודה 0.1 Hz באיור 4B מתאימה לאותו אות בדיוק כפי שנעשה בניסויים הוולטממטריה המחזוריות של איור 4b, הן במונחים של מתח הגשמה, כמו גם תדירות הגשמה. שימוש באותו אות לאפיון והגשמה מאפשר לנו, למשל, להסיק מסקנות על האופי הקיבולי של החומר ועל היציבות והיעדר תגובות אלקטרוכימיות במהלך האקטורות.

שיטות אלקטרוכימי (EIS, CV), ויזואליזציה של מבנה המפעיל ברמת המיקרומטר (בדרך כלל) ואפיון העקירה הן השיטות הנפוצות ביותר לאפיון מפעילים יוניים ולהערכת הצלחת תהליך הייצור. עם זאת, ניסויים מותאמים אישית להערכת ביצועי המפעיל ביישום ספציפי יותר מפותחים לעתים קרובות להערכת ביצועים ספציפיים ליישום (למשל, היכולת לשאת בעומס).

איור 3: הדמיה. סריקת מיקרוגרפים אלקטרונים המראים את הממברנה הנקבובי הגבוהה ביותר (A) וחתך רוחב של מפעיל שנעשה שימוש באותה ממברנה שאינה מראה הדלאמנציה (C). SEM יקרוגפיה המראה חתך של מפעיל טקסטיל מחוזק (D) ותצלום אופטי של חיזוק המשי המתאים (ב). דגימות עבור מקטעי ה-SEM היו הראשון שבורות ההקפאה באמצעות חנקן נוזלי, רכוב על מחזיק דגימת מתכת ולאחר מכן לאחר מכן לאחר 5 ננומטר של זהב עבור הגדרה טובה יותר באמצעות coater התיז. מיקרוסקופ אלקטרוני שולחן סריקה שימש להדמיה במתח של 15 האצת קוו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: התוצאות הייצוגיות של המפעיל. (א) צעדי מתח ותמונות מתאימות של האחיזה בחמש הזרועות, תוך שהוא אוחז באובייקט בצורה אקראית (למפעילללא אנשי קשר 21 מ"ג; פוליסטירן מוקצף טען 17.8 מ ג); (ב) סך כיפוף זווית של 4 מ"מ x 20 מ"מ x 150 יקרומטר מצופה מפעילים מהודק בין אנשי הקשר זהב (18 מילימטר אורך) בתגובה לאות הגשמה משולש (± 2 V) בתדרים שונים של הגשמה (n = 3, קווי שגיאה מייצגים סטיית תקן אחת של הממוצע); (C ו -D) אופייני ספקטרום אלקטרוכימי של electromechanically פעיל ציפויים קיבולי (5 האות mV_RMS משרעת); (ה) מחזורי וולטממטריה של ציפויים קיבוליים (אות הגשמה משולש באמצעות 800 mV/s מהירות סריקה התואמת 0.1 Hz נקודות ב B). קווים אפורים על מחזורי וולטמגרמות הם להשוואה ולהראות תגובה ממפעיל פוטנציאלי פגום (ביסודו של דבר) כי היה מקרוב לעקוב אחר חוק אוהם. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: ייבוש ספין במהלך הכנת ממברנה. (A) שרטוט של תמונת ההתקנה (B) של הכיוונון עם מסגרת עם חיזוק מצורף. במהלך ייבוש הספין, הכוח הצנטריפוגלי מכוון את שרידי הממס בשכבת הממברנה לעבר קצה המסגרת. זה יכול להיות מועיל להאצת תהליך הייבוש. עם זאת, במקרה של קרום רטוב לחלוטין, זה יכול לגרום לאובדן של חומר פעיל (נוזל פולימרי ויונית) ולכן צריך להימנע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

הצגנו פשוטה, מהירה, שיטת הייצור המגוונת והרב עבור הכנה יונית הelectromechanically פעיל מורכב עבור יישומים שונים למפעיל, עם שינויים קלים גם עבור אחסון אנרגיה, קצירת³³ או חישה³⁴ יישומים. השיטה הנוכחית מתמקדת בקרומים עם מרכיב פסיבי וכימי בלתי נפרד (למשל, רשת פולימר מחוזק בטקסטיל או קרום טפלון מאוד, ראו גם איור 3) משום שקרומים כאלה מפשטים באופן משמעותי את תהליך הכנת המפעיל גם בקנה מידה גדול. יתר על כן, הקרומים המתקבלים יש סיכון נמוך יותר של נפיחות וקריסה בשל ממיסים (או אלקטרוליט) השעיית האלקטרודה או של היווצרות נקודה חמה במעגל קצר בהשוואה לשיטות ייצור נפוצות אחרות וחומרים שונים.

השלבים הקריטיים בהכנה למינציה של המפעיל הקיבולי הם הכנת הממברנה, ייצור האלקטרודות, הקובץ המצורף לאספן הנוכחי, גזירה, ויצירת קשר (איור 2). כל אחד מהשלבים הללו מותיר מקום למיטוב התאמה אישית וביצועים, אך גם לטעויות. בסעיף הבא נדון בשינויים המיטיבים ובאסטרטגיות לפתרון בעיות של שיטת ייצור זו בפירוט נוסף. תוצאות ביצועים גבוהים מורכבים מן המשחק הגומלין של כמה היבטים מרכזיים שצריך לזכור: מוליכות אלקטרונית מספקת לאורך האלקטרודה (להוסיף זהב אספן הנוכחי לאלקטרודות פחמן); מוליכות יונית מספקת דרך הקרום (השתמש בקרום נקבובי דק וכמות מספקת של אלקטרוליט דל צמיגות, להפחית את הסיכון לאינטראקציות שלילי בין הקרום והאלקטרוליט באמצעות רשת פולימר אינרטי); שטח גבוה של האלקטרודה (בחר סוג פחמן מתאים); אלקטרוליט מותאם ומתאים לנפיחות א-סימטרית (בחירת אלקטרוליט); פרמטרים מכניים (מודולים של יאנג של הרכיבים). היבטים עיקריים אלה של למפעיל מבוססי פחמן בעלי ביצועים גבוהים מודגשים גם באיור 1B.

ממברנה בעלת ביצועים גבוהים היא החלק המרכזי של המורכב הזה. יש לו שתי משימות: למנוע מוליכות אלקטרונית (מעגלים קצרים) בין האלקטרודות תוך הפעלת מוליכות יונית גבוהה. שינויים בקרום יכול לשרת מספר מטרות, למשל שילוב הכלי כפי שהוצג על ידי et al.²⁴ או תוספת של מאפיינים חדשים (למשל, biocompatibility, biodegradability או תכונות מכניות שונות). שיטת הייצור הנוכחית יכול להיות שונה כדי להשתמש פולימרים אחרים אלקטרוליטים בקרום להציג מאפיינים חדשים על למינציה הפעיל. כמו אסטרטגיית בחירת ממס הציג כאן עבור הטקסטיל מחוזק מפעילים, מומלץ לבחור ממיסים העניים עבור ייצור האלקטרודה הבאה לעומת ההכנה קרום. זה מבטיח כי הקרום נשאר פונקציונלי ושלמים גם לאחר התוספת של אלקטרודות.

הביצועים האקטוטוריים של המורכב הסופי מושפעים מחומר האלקטרודה הנבחר (פחמן), האלקטרוליט ואולי התאימות שלהם זה לזה. פרוטוקול זה מציג את הייצור של הפחמן מבוססי ציפויים קיבולי באמצעות בורון קרביד פחמן נגזר 1-אתיל-3-מתיונין trifluorometh, ([EMIM]) נוזל יוניים. עם זאת, אותו הפרוטוקול ניתן להתאמה לחומרים אחרים באזור משטח מסוים של פחמן, כגון פחמנים נגזרים ממקורות אחרים (למשל, TiC³⁵, SiC או Mo₂C³⁶), פחמן צינוריות^8,37, פחמן אירוג'ל³⁸ או גראפן³⁹, ועוד, כמו גם נבדקו לאחרונה⁴⁰. כמו-כן, ניתן להשתמש גם באלקטרוליטים אחרים בהכנה למפעיל. השגת מורכב פונקציונלי לא מוגבל לטיפוסי פחמן ו-יוניים המוצגים בפרוטוקול זה. גודל חלקיקי הפחמן, ניתן לגלותם האפשרי בהשעיה האלקטרודה ואת צמיגות ההשעיה הם פרמטרים חיוניים יותר עבור תהליך ציפוי תרסיס.

שיטה זו מאפשרת ייצור של חומר electromechanically פעיל למינציה עם תכונות הנוזמות בכמויות גדולות. מזעור מפעילים העשויים מחומר זה מבוצע בעיקר באמצעות גזירה בדיוק גבוהה (למשל, איור 3C). שיטות אלטרנטיביות להכנת מבנים עדינים, כגון מיסוך, והכנת מסגרות אפשריות במהלך הריסוס-ציפוי⁴¹. יתר על כן, מבנים בקנה מידה מילימטר יכול גם להיות בדוגמת בשלב הבא של האספן הנוכחי הקובץ המצורף. עם זאת, בקנה מידה משני מילימטר זה עשוי להיות די קשה. סוגים אחרים של מפעילים או מפעיל מבוסס פחמן ללא האספנים הנוכחיים עשוי להיות קל יותר להכנה, אם התכונות המסיביות חייבות להיות בסולם המיקרומטר.

מפעילים רכים מיסודה המגיבים לגירויים חשמליים יש יתרונות רבים בזכות האופי הרך והתואם שלהם, פעולה שקטה ורמות מתח נמוכות הנדרשות. הפרוטוקול הנוכחי מציג כיצד להפיק חומר כזה בכמויות גדולות יותר ועם האפשרות לחזרה באצווה גבוהה ולחזרה בתוך אצוות מבלי להתפשר על ביצועי הביצועים. שינויים בשיטה הנוכחית כדי לשלב ידידותי יותר ביו ואולי גם רכיבים ביו-תכלה שיאפשרו מבצע קרוב או בפנים אורגניזמים חיים בנוסף לגישות מוצלחות הכוללת אנקפסולציה, ואת השילוב של החומר הפעיל הציג לתוך מכשירים רובוטיים רך או ביו מוצגים לעתיד.

. למחברים אין מה לגלות

המחברים רוצים להודות רון Hovenkamp ו מרסל מולדר ממחקר פיליפס לדיונים מועילים. עבודה זו נתמכת באופן חלקי על ידי מחקר מוסדי IUT (IUT 20-24) של משרד החינוך והמחקר באסטוניה, על ידי המענק של מועצת המחקר של אסטוניה (PUT1696), על ידי הקרן האירופית לפיתוח האזור, על ידי התוכנית מיזם Pluss (גרנט No MOBTP47), על ידי אופק 2020 האיחוד האירופי תוכנית מחקר וחדשנות תחת מארי Skłodowska-קירי מענק הסכם לא 793377 (BIOACT), ועל ידי פרויקט השפעה , פרויקט חדשנות בריאות EIT. בריאות EIT נתמכת על ידי EIT, הגוף של האיחוד האירופי.