La struttura elaborata, componenti, e meccanismo di attuazione dell'attuatore a base di MXene-cellulosa. (A) Fotografia di una foglia naturale. (B) Schema schematico di una struttura fogliare. (C) Schema schematico dell'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC, che è composto da MXCC e da una membrana filtrante in PC. (D) Meccanismo di attuazione dell'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC. Cambiamenti strutturali macroscopici e microcosmici (che coinvolgono i legami H) dell'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC in risposta a stimoli igroscopici e termici simultaneamente (sia i processi di attivazione igroscopici che quelli termici sono controllati dall'attivazione elettrica e della luce NIR). Scansione di immagini al microscopio elettronico dell'MXCC (E) e della membrana del filtro PC (F). Misura dell'angolo di contatto della membrana filtrante MXCC (G) e PC (H). (I) Immagine di microscopia elettronica a trasmissione del nanofoglio 2D MXene (riquadro:modello SAED). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7956
Durante la fotosintesi, foglie naturali con architetture elaborate e componenti funzionali possono raccogliere e convertire l'energia solare in combustibili chimici che vengono convertiti in energia. La produzione di energia biologica ha fornito agli scienziati dei materiali un nuovo paradigma bioispirato per produrre molti sistemi autonomi, compreso il movimento innescato dalla luce. In un recente rapporto, Guofo Cai e collaboratori dei dipartimenti di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Scienze Astronautiche e Meccanica, e Ingegneria Chimica, ha sviluppato una base di attuatori a doppio strato senza precedenti su MXene (Ti 3 C 2 T X compositi )-cellulosa (MXCC) e membrane in policarbonato (PC).
Il dispositivo imitava la sofisticata architettura di una foglia e mostrava capacità di raccolta e conversione di energia simili alla fotosintesi. L'attuatore a doppio strato conteneva caratteristiche altamente desiderabili comprendenti; multi-reattività, azionamento a bassa potenza, velocità di attuazione rapida, deformazione di grandi dimensioni, stabilità robusta e adattabilità programmabile, ideale per i moderni sistemi intelligenti basati su attuatori soft. Cai et al. credono che questi sistemi flessibili adattivi saranno attraenti come tecnologie rivoluzionarie per costruire robot morbidi, interruttori intelligenti, per la crittografia delle informazioni, visualizzazione dinamica infrarossa, mimetizzazione e regolazione della temperatura. Prevedono ulteriori usi della tecnologia per sviluppare interfacce uomo-macchina come l'aptica. Lo studio è ora pubblicato su Progressi scientifici .
Gli scienziati dei materiali hanno studiato materiali e dispositivi che cambiano forma dinamicamente, dimensioni e proprietà elettriche/meccaniche in risposta a stimoli esterni per una varietà di applicazioni. Tali dispositivi hanno importanti funzioni come attuatori, muscoli artificiali, nella robotica, come generatori di energia, sensori e tende intelligenti. Gli scienziati hanno dedicato notevoli sforzi allo sviluppo di attuatori intelligenti basati su una varietà di materiali attivi come i nanotubi di carbonio e il grafene, polimeri a memoria di forma, gel, polimeri coniugati ed elastomeri a cristalli liquidi, nonché ceramiche e leghe.
A SINISTRA:prestazioni meccaniche e movimenti dell'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC causati dalla luce NIR. (A) Tipica forza statica e variazioni di deformazione degli attuatori a base di MXCC e cellulosa durante un ciclo di attuazione quando l'illuminazione della luce NIR è stata accesa e spenta (50 mW cm-2). (B) Grafico della forza statica e della deformazione degli attuatori a base di MXCC e cellulosa in funzione del tempo per cinque cicli consecutivi di accensione e spegnimento della luce NIR, indicando il reversibile, stabile, e rapido processo di attuazione. (C) Cambiamenti di forza statica dell'attuatore basato su MXCC con diverse intensità di illuminazione NIR (da 5 a 200 mW cm-2). (D) Angolo di flessione dell'attuatore basato su MXCC con diverse intensità di illuminazione NIR (da 5 a 200 mW cm-2). A DESTRA:modifica della struttura con diverse intensità di illuminazione NIR e modellazione meccanica. (A) modelli XRD di attuatori basati su MXCC e MXene con diverse intensità di illuminazione della luce NIR (linee continue, attuatore basato su MXCC; linee tratteggiate, attuatore basato su MXene). (B) Corrispondente spaziatura d degli attuatori basati su MXCC e MXene con diverse intensità di illuminazione della luce NIR. (C) Risultati simulati e sperimentali dell'attuatore basato su MXCC. (D) Risultati simulati dell'attuatore basato su MXCC sotto illuminazione con luce NIR. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7956
Una varietà di stimoli ambientali come l'umidità, temperatura, elettricità, luce e pH possono innescare alterazioni fisiche di questi materiali. Ma attualmente è difficile aumentare la velocità di attuazione e aumentare i cambiamenti di forma a causa della scarsa instabilità meccanica e termica che ne limita le capacità. Costruire un attuatore intelligente che risponde a diversi stimoli come umidità, elettricità, calore o luce con attuazione rapida, deformazione di grandi dimensioni, l'adattabilità programmabile e la stabilità robusta sono quindi altamente desiderabili. Per costruire proprietà materiali nuove e migliorate, gli scienziati dei materiali devono quindi esplorare materiali combinatori precedentemente non identificati e progettare razionalmente configurazioni di dispositivi per inventare attuatori ad alte prestazioni.
MXene (Ti 3 C 2 T X ) utilizzato nel presente lavoro appartiene a una nuova famiglia di cristalli liquidi, carburi metallici bidimensionali (2-D) con eccellente conducibilità elettrica, conducibilità termica e conversione fototermica per formare attuatori multirispondenti e potenzialmente ad alte prestazioni. Attualmente esiste solo un singolo esempio dell'uso di MXene come attuatore elettrochimico. Nel presente lavoro, perciò, Cai et al. finalizzato all'utilizzo di MXene come attuatore morbido multireattivo per esplorare l'ispirazione fogliare, architettura sofisticata per un semplice azionamento, accoppiato con componenti funzionali sinergici.
Ispirato all'architettura biologica e al meccanismo fotosintetico di una foglia naturale, Cai et al. progettato un asimmetrico, attuatore morbido a doppio strato che utilizza un cristallo singolo, Nanofogli 2-D MXene per raccogliere energia elettrica o luminosa per la conversione in energia termica. Per questo, hanno usato biocompatibili, nanofibre di cellulosa per formare lo scheletro delle vene per rapidi cambiamenti di forma simili a foglie insieme a membrane filtranti in policarbonato (PC) per formare gli stomi e l'epidermide per l'inserimento e l'estrazione dell'acqua da o verso i compositi MXene-cellulosa (MXCC). Gli scienziati hanno confermato l'aumento dell'assorbimento di acqua in MXCC dovuto alla presenza di cellulosa utilizzando spettri infrarossi trasformati di Fourier (FTIR). Utilizzando modelli di diffrazione elettronica dell'area selezionata (SAED), hanno rilevato la presenza di MXene come struttura esagonale e cristallinità singola senza difetti su scala nanometrica.
Un video della telecamera digitale in tempo reale dell'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC su irradiazione di luce NIR on/off sequenziale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7956
L'attuatore morbido ha mantenuto una forma piatta e senza pieghe in condizioni ambientali con umidità relativa, piegandosi in risposta all'aumento/diminuzione dell'umidità nell'ambiente, che Cai et al. analizzato quantitativamente. Hanno notato eccellenti prestazioni dell'attuatore e angoli di piegatura controllabili in una varietà di livelli di umidità. Gli scienziati hanno quindi studiato l'attuazione elettrica del dispositivo collegando una striscia di MXene-cellulosa a due fili di rame. L'angolo di piegatura diminuiva quasi linearmente con l'aumentare della potenza elettrica, mentre l'attuatore morbido richiedeva solo una bassa tensione per ottenere un'attuazione estrema. Rispetto all'attuazione basata sull'umidità, gli scienziati hanno ottenuto angoli di piegatura maggiori con l'azionamento elettrotermico.
Gli scienziati hanno anche registrato la variazione di temperatura e gli angoli di legame degli attuatori morbidi utilizzando l'irradiazione della luce nel vicino infrarosso (NIR). Hanno osservato un notevole movimento di attuazione sinergico del materiale composito MXene/cellulosa, in contrasto con le scarse prestazioni di azionamento dei singoli componenti. Sulla base dell'assorbimento ottico osservato, conversione fototermica e attuazione elettrochimica, Cai et al anticipano l'uso di questi attuatori soft intelligenti compositi in funzioni foto-reattive.
Cai et al. ha studiato ulteriormente le forze meccaniche fotoindotte del materiale sotto irraggiamento di luce NIR su un analizzatore meccanico. Il processo di attuazione di MXCC/PC è stato rapido e reversibile. Gli scienziati hanno studiato i cambiamenti strutturali degli attuatori MXCC/PC e MXene/PC con diverse intensità di illuminazione utilizzando misurazioni di diffrazione dei raggi X (XRD) per mostrare il carattere amorfo della cellulosa e della membrana del PC. Hanno studiato il comportamento meccanico utilizzando metodi di modellazione degli elementi finiti (FEM) per comprendere ulteriormente il processo di attuazione del materiale composito. I risultati della modellazione concordavano con i risultati sperimentali nello studio.
Movimenti programmabili rappresentativi per l'attuatore strutturato a doppio strato MXCC/PC. (A) Attuatore a doppia piegatura a forma di U. (B) Attuatore a forma di arco trifoglio. (C) Scatola pieghevole. (D) Fiore autofiorente. Le linee tratteggiate verdi in (C) e (D) (disegno del diagramma a sinistra) sono le leggere pieghe create sul fondo della scatola e del fiore per far funzionare bene la scatola auto-pieghevole e il fiore autofiorente sotto l'irradiazione NIR. (Credito fotografico:Guofa Cai, Nanyang Technological University.) Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7956
Per dimostrare il comportamento di attuazione programmabile, gli scienziati hanno sviluppato una serie di configurazioni sofisticate. Compreso un doppio attuatore pieghevole a forma di U, attuatore a forma di arco trifoglio e fiore autofiorente in cui i petali si sono aperti e sbocciati prima dell'irradiazione NIR per chiudersi rapidamente all'esposizione al NIR. Inoltre, gli scienziati hanno esplorato una varietà di dispositivi intelligenti come robot simili a vermi, interruttori intelligenti, un dispositivo di crittografia e display dinamico IR e camouflage per estendere il concetto primario. Per di più, Cai et al. costruito un interruttore intelligente modellando MXCC a forma di croce sulla membrana del PC, che controllavano utilizzando la luce NIR wireless. Sulla base dei principi, gli scienziati hanno anche formato un circuito elettrico aperto per accendere/spegnere un orologio intelligente utilizzando la luce NIR.
Per la crittografia dei dati, basato sull'inchiostro programmabile MXene-cellulosa, Cai et al. progettato un modello desiderato e trasmesso le informazioni mediante riscaldamento locale utilizzando la luce NIR o l'elettricità. Le informazioni erano leggibili solo tramite IR e invisibili all'occhio umano, fornendo una crittografia delle informazioni più adatta oltre ai codici a barre leggibili dalla macchina e ai codici QR. La capacità di integrare diverse funzionalità in un unico sistema per ottenere il camuffamento, la visualizzazione e l'attuazione sono importanti e utili in molteplici discipline. Questi dispositivi hanno confermato la possibilità di utilizzare le membrane MXCC/PC per svolgere molteplici funzioni in sistemi software intelligenti, inclusa la crittografia delle informazioni, comportamento mimetico e termo-reattivo.
Un video della fotocamera digitale in tempo reale di un interruttore intelligente su un'irradiazione di luce NIR on/off sequenziale. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaw7956
I nuovi materiali compositi, progettazione razionale e fabbricazione a basso costo introdotte nello studio, accanto alle strategie sintetiche attuate dagli scienziati, renderà i sistemi a membrana MXCC/PC accessibili per ampi campi scientifici e ingegneristici. In questo modo, Guofa Cai e collaboratori hanno sviluppato e stabilito una nuova classe di materiali e dispositivi multirispondenti con un'integrazione senza precedenti di molteplici proprietà ispirate a strutture biologiche multifunzionali.
I sistemi a membrana MXCC/PC imitavano le caratteristiche cruciali di una foglia naturale dalla microstruttura alle capacità fotosintetiche, che includeva la raccolta e la conversione dell'energia. Gli attuatori a doppio strato hanno mostrato caratteristiche forti, simili agli attuatori multiresponsive di ultima generazione. I materiali esplorati e i sistemi avanzati possono essere ulteriormente sviluppati per stabilire nuove possibilità per tecnologie rivoluzionarie nei campi della robotica morbida, crittografia delle informazioni e visualizzazione dinamica a infrarossi.
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