Illustrazione del processo di concentrazione elettroforetica per creare un film UNDE. (A) I BNNS dispersi in una soluzione di monomero di elastomero dielettrico vengono attratti dalla superficie dell'elettrodo positivo attraverso un processo di concentrazione elettroforetica. (B) Una configurazione per studiare la cinetica del processo di concentrazione elettroforetica:una sorgente di luce e un fotorilevatore sono posti sui lati opposti di una camera della cuvetta dove avviene la concentrazione elettroforetica di BNNS. (C) Immagini in scala di grigi della camera della cuvetta scattate dal fotorilevatore al tempo trascorso specificato del processo elettroforetico. Il campo elettrico applicato è di 4 MV/m costante. (D) Valore in scala di grigi registrato rispetto al tempo elettroforetico al campo elettrico specificato. Il valore della scala di grigi viene preso come valore medio lungo la linea tratteggiata mostrata in (C). Le frecce numerate indicano il tempo delle immagini in (C). Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Gli attuatori dielettrici in elastomero (DEA) possono subire una grande deformazione nel piano reversibile. In un nuovo rapporto ora pubblicato in Science Advances , Junhong Pu e un team di scienziati nella ricerca sui materiali morbidi e nella scienza dei polimeri presso l'Università della California, Los Angeles, Stati Uniti, e l'Università di Sichuan, Cina, hanno introdotto un processo elettroforetico per concentrare la dispersione di nanofoglio di nitruro di boro in una soluzione di precursore di elastomero dielettrico su un superficie dell'elettrodo selezionata. Il team ha ottenuto un elastomero dielettrico nanocomposito unimorfo abbreviato UNDE con una struttura a doppio strato senza soluzione di continuità contenente 13 volte la differenza di modulo. Il team potrebbe attuare il costrutto UNDE su grandi curvature di flessione con una maggiore durata rispetto agli elastomeri dielettrici nanocompositi convenzionali. Hanno organizzato più unità UNDE in un semplice processo di concentrazione elettroforetica utilizzando aree di elettrodi modellate; quindi, utilizzando l'attuatore, hanno sviluppato un motore per obiettivi ad alta velocità con lunghezza focale variabile per formare un sistema ottico a due lenti.
Elastomeri dielettrici nanocompositi unimorfi (UNDE)
Gli elastomeri dielettrici sono una classe di polimeri elettroattivi in grado di trasdurre energia elettromeccanica tramite un meccanismo di sollecitazione elettrostatica, in risposta a una tensione applicata. I materiali sono caratterizzati dalla loro grande deformazione e dall'elevata densità di energia e hanno attirato un enorme interesse nell'ultimo decennio per applicazioni come muscoli artificiali e robotica morbida. Gli elastomeri acrilici sono interessanti a causa della maggiore deformazione di attuazione che presentano e della procedura di prestiro coinvolta durante la fabbricazione. Gli scienziati dei materiali mirano a evitare il processo di prestiro con elastomeri acrilici introducendo una seconda rete polimerica compenetrante e modificazioni chimiche per ottenere grandi deformazioni di attuazione senza prestiro. In questo lavoro, Pu et al. ha introdotto un approccio elettroforetico seguito da reticolazione in situ per fabbricare un elastomero dielettrico nanocomposito unimorfo privo di interfaccia fatto di nanosheet di nitruro di boro localmente concentrato (BNNS). Il team ha utilizzato il processo elettroforetico per produrre più unità unimorfe funzionali in un film DEA monolitico a forma di disco attraverso un pattern di elettrodi personalizzato. Hanno variato la deformazione di attuazione con la tensione applicata senza deterioramento dei materiali e l'attuatore compatto ha prodotto un'attuazione lineare di grandi dimensioni da utilizzare come motore per obiettivi a trasmissione diretta, per sistemi di zoom ottico.
Pu et al. ha sviluppato i film UNDE (Unimorph nanocomposite dielectric elastomer) con BNNS (nanosheet di nitruro di boro) ad alta concentrazione su una superficie tramite elettroforesi. I nanosheet di nitruro di boro sono comunemente usati come riempitivi dielettrici per aumentare la rigidità dielettrica e possono essere dispersi in un elastomero dielettrico per formare una sospensione colloidale. Il team ha iniettato la dispersione tra due elettrodi paralleli con un campo di corrente continua applicato tra di loro. Poiché il BNNS era caricato negativamente, i materiali sono stati attratti dalla superficie dell'elettrodo positivo. Il team ha curato il precursore tramite l'esposizione ai raggi ultravioletti e ha formato una struttura continua a doppio strato. Hanno ripreso il processo utilizzando un raggio di luce passato attraverso la camera della cuvetta durante l'elettroforesi. Dopo aver sviluppato la struttura UNDE, Pu et al. ha utilizzato immagini di microscopia elettronica a scansione per osservare le caratteristiche degli elastomeri dielettrici nanocompositi convenzionali come materiale di controllo e l'UNDE con il 3% di BNNS nella sua composizione. Il team ha notato curvature di flessione più piccole per la pellicola UNDE con BNNS concentrato sullo strato superiore, rispetto allo strato inferiore. Il lavoro ha indicato una maggiore rigidità per gli strati concentrati in BNNS rispetto a quelli con concentrazioni esaurite. Gli scienziati hanno esplorato i materiali ottimizzati per ottenere l'attuazione del legame applicando un'alta tensione attraverso il film UNDE. Dopo l'applicazione di un campo elettrico, i due strati della struttura hanno subito sollecitazioni di compressione uniformi in cicli di flessione e recupero.
Attuazione di attuatori UNDE (elastomero dielettrico nanocomposito unimorfo)
Il team di ricerca ha analizzato l'attuazione del legame di UNDE al 3% in peso, a forma trapezoidale e ha notato come gli attuatori dielettrici in elastomero funzionassero in modo unidirezionale rispetto ai campi elettrici applicati attraverso il suo spessore. Ad esempio, con un'intensità di campo di 28 MV/m, il team ha ottenuto una curvatura vincolante di 4,4 cm -1 per creare una struttura quasi ad anello chiuso. Hanno notato la dipendenza specifica della curvatura di legame dall'intensità del campo elettrico in cui UNDE con concentrazioni di nanosheet di nitruro di boro più elevate richiedeva una maggiore intensità del campo elettrico per ottenere la stessa curvatura di flessione, a causa della maggiore rigidità. Il team ha dotato i processi di attuazione e ripristino di una risposta esponenziale e ha attribuito la rapida risposta degli attuatori a flessione dell'elastomero dielettrico alla conversione diretta dell'energia dall'elettricità al lavoro meccanico. La curvatura di rilegatura indicava un compromesso tra un'ampia curvatura di flessione e un'elevata frequenza operativa. La natura priva di interfaccia tra i nanosheet di nitruro di boro passivo e lo strato di elastomero dielettrico attivo ha offerto agli attuatori UNDE prestazioni di legame non distruttive dopo una piegatura di 180 gradi.
Caratterizzazione strutturale e meccanismo di flessione del film UNDE. (A) Illustrazione della sezione trasversale di un film UNDE, con lo strato concentrato di BNNS nella sua superficie superiore. (B) Immagini SEM della sezione trasversale di UNDE con 3% in peso di BNNS a due diversi ingrandimenti. (C) Immagini ottiche di (i) vista dall'alto del film UNDE con il 3% in peso di BNNS posato su un banco e (ii) vista laterale del film applaudito a un'estremità con lo strato concentrato di BNNS in alto e (iii) su parte inferiore. (D) Modulo di Young e (E) distribuzione Weibull dell'intensità del campo di rottura di un elastomero puro e CNDE e UNDE con diversi contenuti BNNS. (F) Azionamento della flessione della pellicola UNDE verso la superficie con BNNS concentrato in risposta all'applicazione della tensione e ripristino della forma originale quando la tensione viene rimossa. (G) Immagini ottiche della vista laterale del 3% in peso UNDE durante un ciclo di attuazione (onda quadra con un campo elettrico di picco di 19 MV/m a 5 Hz). Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Applicazioni degli attuatori in elastomero dielettrico
Il team ha adottato il processo di fabbricazione UNDE per formare più unimorfi accessibili individualmente all'interno di un film monolitico. Pu et al. utilizzavano attuatori dielettrici in elastomero a forma di disco come obiettivo motore autonomo per riposizionare direttamente un elemento ottico e modificare la lunghezza focale di un sistema di obiettivi zoom compatti e adattivi su un'ampia gamma. Utilizzando il sistema di zoom a due obiettivi, hanno aumentato la distanza tra i due obiettivi per ridurre la distanza dalla lunghezza focale del sistema e facilitare la proiezione di oggetti da distanze di lavoro lontane o ravvicinate, sullo stesso piano. Rispetto alla tecnologia delle lenti liquide sintonizzabili, il sistema di zoom ottico guidato da un attuatore lineare ha ottenuto una maggiore capacità di regolazione della lunghezza focale, desiderabile per endoscopi, fotocamere per smartphone, realtà virtuale e visione artificiale.
Struttura di un DEA lineare a forma di disco e sue prestazioni di attuazione. (A) Un'illustrazione di un processo di concentrazione elettroforetica localizzato e del film monolitico a forma di disco fabbricato con sei settori concentrati in BNNS posizionati alternativamente sulle superfici superiore e inferiore; la distribuzione della sezione trasversale di BNNS all'interno della struttura lungo la linea tratteggiata (a-b-c) è mostrata in basso. (B) Risultati dell'analisi agli elementi finiti sull'attuazione di un unimorph e un film a forma di disco con sei unimorph. (i) Un unico unimorfo a forma di settore anulare con BNNS concentrato sulla superficie superiore si piega verso l'alto sotto un campo elettrico applicato. (ii) Un modello semplificato del film monolitico a forma di disco mostrato in (A), con BNNS concentrato alternativamente sulle superfici superiore (t) e inferiore (b). (iii) e (iv) mostrano i tratti semplificati del modello su e giù tramite l'applicazione di campi elettrici rispettivamente nelle regioni t e b. (C) Un diagramma del principio di funzionamento di un DEA lineare a forma di disco. Applicando separatamente una tensione a diverse sezioni dell'attuatore, è possibile generare una corsa bidirezionale lineare sul bordo interno dell'attuatore. (D) Corsa bidirezionale tracciata rispetto al campo elettrico. (E) Forza di blocco di una DEA lineare a forma di disco generata con diverse intensità di campo elettrico. (F) Corsa bidirezionale sotto attuazione dell'onda quadra a 1, 2, 5 e 10 Hz con un campo elettrico di picco di 19 MV/m. In basso sono mostrate viste ingrandite di diversi cicli di attuazione al di sotto di 1 e 10 Hz. (G) Curvatura normalizzata di un DEA unimorfo flettente e corsa di un DEA lineare a forma di disco costituito da sei unità unimorfe sotto un campo elettrico di picco di 19 MV/m a diverse frequenze di attuazione. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
Un sistema di zoom ottico guidato dal DEA lineare a forma di disco (motore dell'obiettivo). (A) Meccanismo di un sistema di zoom ottico composto da una lente convessa (L1) e una lente concava (L2). La lunghezza focale e la distanza di lavoro del sistema cambiano man mano che L1 si sposta da S a S′. (B) Immagini a doppia esposizione che mostrano una lente convessa (CAW110, Ø6,28 mm, 0,05 g) azionata linearmente da un motore dell'obiettivo applicando un campo elettrico di 24 MV/m. L'obiettivo è montato sul bordo interno del motore tramite un nastro di carta predefinito. (C) Distanza della corsa di un motore dell'obiettivo senza e con l'obiettivo convesso montato sul bordo interno. Corsa bidirezionale sotto attuazione di un'onda quadra a 1, 2, 5 e 10 Hz con un campo elettrico di picco di 24 MV/m. (D) A sinistra, immagini fotografiche che mostrano il sistema di zoom e oggetti a diverse distanze; a destra, immagini fotografiche catturate dal sistema di zoom ottico a due diverse lunghezze focali. (E) Variazione della focale in funzione della distanza iniziale tra le due lenti e del campo elettrico applicato. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200
In questo modo, Junhong Pu e colleghi hanno sviluppato un nuovo metodo per implementare configurazioni unimorfe in un film di elastomero dielettrico monolitico mediante elettroforesi. Il metodo ha facilitato la concentrazione di nanofiller di nitruro di boro nanosheet (BNNS) nei monomeri per formare un elastomero dielettrico nanocomposito unimorfo privo di interfaccia (UNDE). Il team ha creato diverse unità UNDE durante lo studio designando le concentrazioni di BNNS nelle aree di superficie. Gli attuatori di elastomeri dielettrici lineari risultanti possono essere ottimizzati come materiali promettenti per la visione robotica artificiale grazie alla loro natura personalizzabile e scalabile. + Esplora ulteriormente
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