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新研究利用有机半导体纳米管制造出高性能的电化学致动器

据外媒报道,休斯顿大学的研究人员报告称,随着一种使用专门有机半导体纳米管(OSNTs)的电化学致动器的开发,他们在材料科学和工程领域取得了突破。目前处于开发的早期阶段,该致动器将成为有助于未来机器人、生物电子和生物医学科学研究的一个关键部分。

UH Cullen工程学院生物医学工程副教授、这项新研究的论文通讯作者Mohammad Reza Abidian指出:“将电能转化为机械能的电化学装置在许多应用中都有潜在用途,从软机器人和微泵到自动聚焦微透镜和生物电子学。”

明显的运动(科学家将其定义为驱动并测量为变形应变)和快速响应时间一直是难以实现的目标,特别是对于在液体中操作的电化学驱动装置。这是因为液体的阻力限制了致动器的运动并限制了离子在电极材料和结构中的运输和积聚。在Abidian的实验室里,他和他的团队完善了绕过这两个绊脚石的工作方法。

“我们的有机半导体纳米管电化学装置表现出高驱动性能,在液体和凝胶聚合物电解质中具有快速的离子传输和积累以及可调控的动态。这个装置表现出了出色的性能,包括低功耗/应变、大变形、快速响应和出色的致动稳定性,”Abidian说道。

另外他还指出,这种出色的性能源于纳米管状结构的巨大有效表面积。较大的面积有利于离子传输和积累,进而带来高电活性和耐久性。

“这种OSNT致动器的低功耗/应变值,即使它在液体电解质中运行也标志着比以前报道的在液体和空气中运行的电化学致动器有了深刻的改进。我们评估了长期稳定性。跟以前公布的在液体电解质中工作的基于共轭聚合物的致动器相比,这种有机半导体纳米管致动器表现出更高的长期稳定性,”Abidian说道。

与Abidian一起参与该项目的还有Mohammadjavad Eslamian、Fereshtehsadat Mirab、Vijay Krishna Raghunathan和Sheereen Majd,他们都来自于UH Cullen工程学院的生物医学工程系。

据了解,实验中所使用的有机半导体被称为共轭聚合物,是由Alan J. Heeger、Alan MacDiarmid和Hideki Shirakawa这三位科学家在20世纪70年代发现的,他们因发现和开发共轭聚合物而在2000年获得诺贝尔奖。

对于一种新型的致动器来说,要想超越现状,最终产品不仅要证明它是高效的,而且还要证明它可以持久。

“为了证明潜在的应用,我们设计和开发了一个微米级的可移动神经探针,它是基于OSNT微动器的,”Abidian说道,“这种微探针有可能被植入大脑,通过调整可移动的微悬臂的位置可以加强因组织受损或神经元位移而受到不利影响的神经信号记录。”

他们接下来的目标是动物测试,并将很快在哥伦比亚大学进行。预计到2021年底会有早期结果,随后会有更长期的测试。

“考虑到迄今为止的成就,我们预计这些新的基于OSNT的电化学装置将有助于推动下一代软机器人、人工肌肉、生物电子学和生物医学装置的发展,”Abidian说道。

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