Karbon Bazlı İonik Elektromekanik Aktif Yumuşak Aktüatörlerin İmalatı

Özet

Bu makalede, biyomedikal, biyomimetik ve yumuşak robotik uygulamalarında aktüatörler için iyonik elektromekanik olarak aktif kompozit malzemelerin hızlı ve basit bir üretim süreci açıklanmaktadır. Önemli üretim adımları, aktüatörlerin nihai özellikleri için önemi ve bazı ana karakterizasyon teknikleri ayrıntılı olarak açıklanmıştır.

Özet

İonik elektromekanik olarak aktif kapasitif laminatlar elektriksel uyarıma yanıt olarak hareket eden bir akıllı malzeme türüdür. Bu deformasyonun yumuşak, uyumlu ve biyomimetik yapısı nedeniyle laminattan yapılan aktüatörler yumuşak robotik ve (biyo) tıbbi uygulamalara giderek artan bir ilgi göstermiş dir. Ancak, aktif malzemeyi büyük (hatta endüstriyel) miktarlarda ve yüksek toplu iş ve toplu tekrarlanabilirlik ile kolayca imal etme yöntemleri, bilgiyi laboratuvardan sanayiye aktarmak için gereklidir. Bu protokol, iyonik karbon bazlı elektromekanik aktif kapasitif laminatların imalatı ve bunların yapımı aktüatörlerin hazırlanması için basit, endüstriyel olarak ölçeklenebilir ve tekrarlanabilir bir yöntemi tanımlar. Pasif ve kimyasal olarak çözünmez (çözünmez) bir orta tabakanın (örneğin, tekstille güçlendirilmiş polimer ağ veya mikro gözenekli Teflon) dahil edilmesi yöntemi diğerlerinden ayırır. Protokol beş adıma ayrılmıştır: membran hazırlama, elektrot hazırlama, akım kolektör eki, kesme ve şekillendirme ve harekete geçme. Protokol sonuçlarının ardından, örneğin, makalede gösterildiği gibi rasgele şekilli bir nesneyi uyumlu bir şekilde kavrayabilen ve tutabilen etkin bir malzeme elde edilir.

Giriş

İonik elektromekanik olarak aktif polimer veya polimerik kompozitler, farklı yumuşak robotik ve biyomimetik uygulamalara artan ilgi alan özünde yumuşak ve uyumlu malzemelerdir (örn. aktüatörler, kavrayıcılar veya biyoilham verici robotlar^1,2). Malzeme Bu tür onları geleneksel elektronik ve güç kaynakları ile entegre kolaylaştırır birkaç volt aralığında elektrik sinyalleri yanıt^{verir 3}. Iyonik aktüatör baz malzemeleri birçok farklı türleri mevcuttur, ayrıntılı olarak başka bir yerde açıklandığı gibi⁴, ve yine çok yakın^{zamanda 5}. Ayrıca, özellikle son zamanlarda yumuşak robotik cihazların geliştirilmesi çok yakından ilgili aktif malzemeler ve^bileşenleri6 için gelişmiş üretim süreçlerinin geliştirilmesi ile ilgili olacağını vurgulanmıştır. Ayrıca, laboratuvardan sanayiye geçme potansiyeline sahip tekrarlanabilir aktüatörlerin hazırlanmasında etkin ve köklü bir proses akışının önemi de önceki yöntem tabanlı çalışmalarda vurgulanmıştır⁷.

Son yıllarda, birçok üretim yöntemleri geliştirilmiş tiratörler (örneğin, katman katman döküm⁸ ve sıcak-basarak^9,10, emprenye azaltma¹¹, boyama^12,13, veya fışkırtma ve sonraki elektrokimyasal sentez^14,15, mürekkep püskürtme¹⁶ ve spin kaplama¹⁷; bazı yöntemler daha evrenseldir ve bazıları malzeme seçimi açısından diğerlerinden daha sınırlayıcıdır. Ancak, mevcut yöntemlerin çoğu oldukça karmaşık ve / veya daha laboratuvar ölçekli imalat için uygundur. Mevcut protokol, düşük toplu iş-parti ve parti içi değişkenlik ve uzun bir aktüatör ömrü¹⁸ile aktif laminatlar üretmek için hızlı, tekrarlanabilir, güvenilir, otomatik ve ölçeklenebilir aktüatör üretim yöntemine odaklanır. Bu yöntem biyoilham uygulamaları yeni nesil için yüksek performanslı aktüatörler geliştirmek için malzeme bilim adamları tarafından kullanılabilir. Ayrıca, bu yöntemi değişiklik yapmadan takip etmek, yumuşak robot mühendisleri ve öğretmenlerine yeni cihazların geliştirilmesi ve prototiplemesi veya yumuşak robotik kavramlarının öğreticisi için aktif bir malzeme sağlar.

İonik elektromekanik olarak aktif polimer veya polimerik aktüatörler genellikle iki veya üç katmanlı laminar kompozitlerden oluşur ve birkaç volt aralığında elektriksel uyarılmaya yanıt olarak eğilirler(Şekil 1). Bu bükme hareketi elektrot katmanlarındaki şişme ve daralma etkilerinden kaynaklanır ve genellikle elektrotlar üzerindeki faradaik (redoks) reaksiyonlar (örneğin, iletken polimerler gibi elektromekanik aktif polimerler (EAP'ler) veya çift katmanlı kapasitif şarj (örneğin, karbon bazlı polimerik elektrotlarda, polimer in sadece bir binder olarak hareket edebilir) tarafından getirilir. Bu protokolde(Şekil 2),ikincisine odaklanırız; elektrotlar arasındaki katyon ve anyonların hareketini kolaylaştıran, elektronlar ve anyonlar arasındaki hareketi kolaylaştıran, elektronlar arasındaki iyonların hareketini kolaylaştıran, elektronlar arasındaki iyon-iletken membranile ayrılan iki yüksek spesifik yüzey alanından oluşan elektromekanik olarak aktif bir kompozitin imalatını gösteriyoruz – süper kapasitörlere çok benzer bir konfigürasyon. Bu tip aktüatör kapasitif şarj/deşarja ve elektrotların ortaya çıkan şişme/daralmaya yanıt olarak bükülerek bükülür ve genellikle katyonların hacim ve hareket kabiliyetindeki farklılıklara atfedilir ve^elektrolit8^,10,19. Yüzey-fonksiyonel karbon aktif malzeme olarak kullanılmadığı veya kapasitif kompozit elektrolitin elektrokimyasal stabilite potansiyeli penceresi dışında kullanılmadığı sürece, bu tip elektrotlarda faradaik reaksiyonların olmaması beklenir²⁰. Faradaik reaksiyonların eksikliği bu aktüatör malzemenin yararlı uzun ömürleri için ana katkıda (yani, hava döngüleri binlerce^8,18 farklı kapasitif aktüatörler için gösterilir).

Şekil 1: Nötr (A) ve aktüel durumda (B) karbon bazlı aktüatörün yapısı. (B) ayrıca iyonik aktüatörün performansını belirleyen temel özellikleri vurgular. Not: şekil ölçek için çizilmez. İyon boyutu, elektrolitin hem anyon hem de katyonların hareket kabiliyetini sağlayan inert bir membran durumunda yaygın olarak kullanılan en yaygın aktüasyon mekanizmasını göstermek için abartmış ve (örn. iyonik sıvı). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tüm üretim süreci boyunca bozulmadan kalan işlevsel bir membran elde etmek başarılı aktüatör hazırlanmasında önemli adımlardan biridir. Bir aktüatör için yüksek performanslı membran mümkün olduğunca incedir ve elektrotlar arasında iyonik iletkenlik sağlarken herhangi bir elektronik iletkenliği engeller. Membrandaki iyonik iletkenlik, elektrolitin durağan gözenekli bir ağla (örneğin, bu protokolde kullanılan yaklaşım) veya kovalent olarak bağlanmış iyonize ünitelerle veya elektrolitle etkileşimi sağlayan diğer gruplarla belirli polimerlerin kullanılmasıyla birleştirilmesinden kaynaklanabilir. Eski yaklaşım burada sadeliği için tercih edilir, elektrolit ve polimer ağ arasındaki özel özel etkileşimler de avantajları olabilir, eğer olumsuz etkileşimler (örneğin, engelleme veya etkileşimler nedeniyle önemli ölçüde iyon hareketi yavaşlatma) ekarte edilebilir. Elektromekanik olarak aktif aktüatörler ve bunların ortaya çıkan aktüasyon mekanizmaları için iyonomerik veya başka bir şekilde aktif membranların geniş seçimi son zamanlarda gözden geçirilmiştir²¹. Membran seçimi, elektrot seçimine ek olarak, aktüatörün performansında, yaşam süresinde ve aktüasyon mekanizmasında önemli bir rol oynar. Mevcut protokol esas olarak iyon göçü için gözenekli yapı sağlayan inert membranlara odaklanmaktadır (Şekil 1'degösterildiği gibi), protokolün bazı bölümleri (örneğin, membran seçeneği C) aktif membranlar için de yararlı olabilir.

Membran malzeme seçimine ek olarak, onun üretim yöntemi de kompozit için fonksiyonel bir ayırıcı elde önemli bir rol oynar. Daha önce kullanılan döküm membranlar daha sonra sıcak presleme adım sırasında erime eğilimindedir ve bu nedenle kısa devre hotspots^{oluşabilir 22}. Ayrıca, ticari iyonomerik membranlar (örneğin, Nafion) daha sonraki üretim adımlarında kullanılan çözücülere yanıt olarak önemli ölçüde şişme ve toka eğilimindedir¹², ve bazı polimerler (örneğin, selüloz²³⁾bazı iyonik sıvılarda bir ölçüde çözünmek için bilinen, muhtemelen üretim sürecinin tekrarlanabilirliği ile ilgili sorunlara neden ve elektrotların kötü tekdüzelik sonuçlanan. Bu nedenle, bu protokol membranda integral pasif ve kimyasal olarak inert bileşene sahip aktüatörlere (örneğin, cam elyafı veya PVDF veya PTFE ile ipek) daha sonraki imalat adımlarında şişme ve bükülmeyi durduran veya kısa devre noktaları oluşturan aktüatörlere odaklanır. Ayrıca, bir inert ve pasif bileşenin eklenmesi üretim sürecini önemli ölçüde kolaylaştırır ve daha geleneksel yöntemlere göre daha büyük toplu iş boyutları sağlar.

Membrana pasif bir takviye nin eklenmesi ilk olarak Kaasik veark. ¹⁸ aktüatör üretim sürecinde yukarıda belirtilen sorunları çözmek için. Dokuma tekstil takviyesinin dahil edilmesi (ayrıca Bkz. Şekil 3B ve 3D)araçları aktif kompozit^24'e entegre etme veya akıllı tekstil geliştirme yeteneğini daha da tanıtır^18. Bu nedenle protokoldeki membran seçeneği C bu tür uygulamalar için daha uygundur. Ancak, minyatüraktörler (milimetrenin altında) durumunda, membrandaki pasif-aktif bileşen oranı giderek daha olumsuz hale gelir ve sipariş edilen bir tekstil takviyesinin eklenmesi aktüatörün performansını ve numuneden numuneye tekrarlanabilirliğini olumsuz etkilemeye başlayabilir. Ayrıca, takviye yönü (boyunca veya çapraz bükme yönü açısından) beklenmedik şekilde daha karmaşık şekilli aktüatörlerin performansını etkileyebilir. Bu nedenle, daha az sıralı ve son derece gözenekli inert yapısı minyatür aktüatörler ve daha karmaşık aktüatör şekiller için daha yararlı olacaktır.

Politetrafloroetilen (PTFE, ayrıca ticaret adı Teflon altında biliyorum) en inert polimerler bugüne kadar biliyorum. Genellikle yüksek hidrofobik, ancak hidrofilik hale getirilir yüzey tedavi sürümleri var, hangi daha kolay aktüatör imalatı nda kullanılabilir. Şekil 3A, bu protokolde aktüatör hazırlanmasında kullanılan inert hidrofilik PTFE filtrasyon membranının rasgele yapısını göstermektedir. Minyatür aktüatörlerin veya karmaşık şekillerin kesilmesiiçin yararlı olan her yöne bu malzemenin tekdüzeliğine ek olarak, kontrollü gözenekli ticari bir filtrasyon membranı kullanmak, neredeyse herhangi bir membran hazırlama ihtiyacını ortadan kaldırarak aktüatör üretim sürecini daha da kolaylaştırır. Ayrıca, daha önce açıklanan tekstil takviyeli konfigürasyonda 30 μm'ye kadar düşük membran kalınlıklarında elde edilmesi son derece zordur. Bu nedenle, ptfe tabanlı aktüatör üretim yöntemleri (a ve B seçenekleri) bu protokolden çoğu durumda tercih edilmelidir, daha fazla seçenek A daha hızlı olduğunu göz önünde bulundurarak, ancak b seçeneği kullanılarak yapılan aktüatörler daha büyük suşları gösterir (Şekil 4B'desunulan frekans aralığında). Temsili sonuçlar bölümünde tanıtılan yumuşak kavrayıcı da ilk olarak elektrolitle ıslatılmış PTFE membrankullanılarak hazırlanmıştır.

Fonksiyonel bir membran hazırlandıktan sonra protokol elektrot hazırlama ve akım kolektör eki ile devam etmektedir. Karbon bazlı elektrotlar sprey kaplama kullanılarak eklenir – ortaya çıkan elektrot tabakası kalınlığı üzerinde yüksek kontrol sağlayan endüstriyel olarak kurulmuş bir prosedür. Daha düzgün elektrotlar sprey kaplama ile, örneğin, döküm yöntemi (ya da muhtemelen diğer sıvı yöntemler) nerede film kurutma sırasında karbon parçacıklarının sedimantasyon²⁵ meydana bilinmektedir karşılaştırılır. Ayrıca, sunulan üretim yönteminin bir diğer özelliği de tekstil takviyeli membranlarda en önemli olan çözücü seçim stratejisine dayanır. Daha doğrusu, 4-metil-2-pentanone (elektrot süspansiyon ve tutkal çözeltisi çözücü) tekstil takviyeli membran çözeltisi kullanılan inert membran takviye veya PVDF çözülmez. Bu nedenle, püskürtme kaplama sırasında kompozit kısa devre hotspots oluşturma riski daha da azalır.

Kapasitif laminat karbon elektrotlar uygulamasından sonra zaten aktiftir. Ancak, altın akım kollektörleri uygulaması ile büyüklük daha hızlı aktüatörler²⁶ elde edilir. Protokoldeki bir diğer önemli adım da, ilgili elektrot gerilmiş durumdayken (yani kompozit bükülmüş) akım toplayıcılarının bağlanmasıdır. Bu nedenle, aktüatör nötr düz durumda, altın yaprak milimetrenin altında düzeyde bükülmüş olacaktır. Bu tamponlama-by-buckling²⁷ yaklaşım aksi takdirde ince bir (~ 100 nm) metal levha için mümkün olacağını daha kırılmadan daha yüksek deformasyonlar sağlar.

Tüm aktüatör üretim basamakları (membran hazırlama, elektrot püskürtme, akım kolektör eki) şekil 2'deözetlenmiştir. Performans karakterizasyonu gösterimi için, rasgele bir yüzey dokusuna sahip rasgele şekilli bir nesneyi uyumlu bir şekilde kavrayan, tutan ve serbest bırakan bir kavrayıcı hazırladık. Aktif malzemeden kesilmiş ve cantilever pozisyonunda kenetlenmiş 1:4 veya daha yüksek en boy oranına sahip dikdörtgen numuneler (örn. 4 mm ila 20 mm, hatta 1 mm ila 20 mm²⁸⁾gibi daha basit geometriler, malzeme karakterizasyonu veya bükme tipi davranışı kullanan diğer uygulamalar için de çok tipiktir.

Makale, daha basit dikdörtgen aktüatör geometrisini kullanarak tipik iyonik elektromekanik aktif kapasitif malzeme karakterizasyonu ve sorun giderme tekniklerine kısa bir giriş ile sona erer. Aktüatör materyalini daha ayrıntılı olarak karakterize etmek ve gidermek için döngüsel voltammetri (CV) ve elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) gibi yaygın elektrokimyasal karakterizasyon tekniklerinin nasıl kullanılacağını gösteriyoruz. Kompozitin milimetre-altı düzeyinde görselleştirilmesi, numuneleri hazırlamak için kriyo-kırma tekniğini kullandığımız taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılır. Malzemenin polimerik yapısı, sadece düzenli kesim ile net kesitler elde etmeyi zorlaştırır. Ancak, dondurulmuş numuneleri kırmak iyi tanımlanmış kesitler ile sonuçlanır.

Şekil 2: Üretim sürecine genel bakış. En önemli adımlar vurgulanır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

DİkKAT: Bu protokolde kullanılan birçok kimyasal ve bileşen tehlikelidir, denemeye başlamadan önce daha fazla bilgi için lütfen ilgili güvenlik veri sayfalarına (SDS) başvurun. Deney sırasında uçucu çözücüleri kullanırken (örneğin, çözeltilerin hazırlanması sırasında, güçlendirilmiş membran yapımında, elektrotları spreyle kaplarken ve mevcut kolektörleri takarken) duman kaputu ve kişisel koruyucu ekipman (eldiven, gözlük, laboratuvar önlüğü) kullanın. Her zaman eldiven giyerek son kompozitle doğrudan cilt temasını⁽²⁸kapsüllenmedikçe) önleyin.

1. Ayırıcı membran yapımı

1. Nakış çerçevesi gibi bir çerçeve alın.
   NOT: İstenilen parti büyüklüğüne bağlı olarak 7,5 cm ile 25 cm arasında standart çerçeve boyutları kullandık. En önemlisi, çerçeve çözücüler ve tarifi kullanılan diğer malzemelerdayabilen malzemelerden yapılmalıdır. Örneğin, bu protokolde polipropilen nakış çerçevesi kullanılır. Ancak, emin değilseniz, çerçeve üzerinde bir çözücü testi yapmak önerilir.
2. Planlanan uygulama için en uygun membran yapılandırmasını bulmak için A'dan C'ye (yukarıda açıklanan ve Şekil 2'desunulan) seçenekleri arasından seçim yapın. Fonksiyonel aktüatör materyalinin hazırlanması için üç membrandan sadece birine ihtiyaç vardır.
3. Seçenek A: İyon-iletken ayırıcıların hazırlanmasında son derece gözenekli ticari filtrasyon membranlarının kullanılması
   1. Yüksek gözeneklilikte filtrasyon membranı (30 μm kalınlığında, %80 gözenekli PTFE membran filtresi gibi) alın. Standart filtre çerçeve için çok büyükse, makasla şekle bindirin. Kontaminasyonu önlemek için transfer levhaları arasındaki membranı kesin.
   2. Çerçeve üzerinde kuru filtrasyon membranı bağlayın ve gergin.
      NOT: Bazı filtrasyon membranları kuru durumda oldukça kırılgan olabilir. Yırtılmaönlemek için kuru membranları son derece dikkatli bir şekilde sabitleyebilirsiniz.
   3. Elektromekanik olarak aktif kompozit hazırlığıile devam etmek için Adım 2'ye geçin.
4. B Seçeneği: Iyon iletken ayırıcıların hazırlanmasında elektrolit emdirilmiş ticari filtrasyon membranlarının kullanılması
   1. Yüksek gözeneklilikte filtrasyon membranı (30 μm kalınlığında, %80 gözenekli PTFE membran filtresi gibi) alın. Standart filtre çerçeve için çok büyükse, makasla şekle bindirin. Kontaminasyonu önlemek için transfer levhaları arasındaki membranı kesin.
   2. Daha sonra elektrolit alımını hesaplamak için analitik bir denge kullanarak kuru membran kütlesini kaydedin. Bu adım yalnızca toplu işlemtekrarlama izleme için gereklidir ve aksi takdirde atlanabilir.
   3. Kuru membranı petri kabına yerleştirin ve iyonik sıvı fazlalığı (örn. 1-etilimidazolium trifluoromethansulfonat ([EMIM][OTf])) eklemek için bir pipet kullanın.
      DİkKAT: Ciltle teması önlemek için eldiven kullanın.
   4. Petri diskini hafifçe yatırarak tüm membranın iyonik sıvıyla kaplı olduğundan emin olun veya iyonik sıvıyı membranın hala kuru olduğu bölgelere aktarmak için bir pipet kullanın.
   5. Maksimum elektrolit alımını sağlamak için membraniyonik sıvı emmek sağlar.
   6. Membran yeterince ıslatılmış sonra (yaklaşık 1 dakika sonra video), aşırı iyonik sıvı çoğu kapalı pipet.
   7. Cımbız kullanarak, membran tarafından emilmemiş iyonik sıvıgeri kalanı kaldırmak için filtre kağıtları arasında dikkatle membran yerleştirin. Son membran yarı saydam ama ıslak olmamalıdır.
   8. Analitik bir denge kullanarak Adım 1.4.7'den ıslatılmış ve kurutulmuş membranın kütlesini kaydedin. Bu adım, yalnızca toplu işlem tekrarlanabilirlik izleme için gereklidir ve aksi takdirde atlanabilir.
      NOT: Yüksek gözenekli PTFE membranları ve nispeten düşük viskoziteli iyonik sıvılarda (örn. [EMIM][OTf]) maksimum iyonik sıvı alımı hemen sağlanır. Farklı iyonik sıvılar ve farklı (daha az gözenekli) ticari polimer membranlar kullanarak daha uzun ıslatma süreleri neden olabilir. Bu ihtiyaç 1.4.1 ile 1.4.8 adımları tekraredilerek belirlenebilir. sabit bir membran kütlesi elde edilene kadar. Ancak, elektrolit çok viskoz veya membran yeterince gözenekli değilse o zaman aktüatör performansı da çok yüksek olmayabilir.
   9. Sabitleyin ve gergin çerçeve üzerinde kırışıklıkları ve kıvrımları kaçınarak ıslatılmış ve kurutulmuş membran.
5. C Seçeneği:Özel polimerler (örneğin, ticari (filtrasyon) membran olarak bulunmayan polimerler), özel membran kalınlıkları, daha yüksek viskoziteli iyonik sıvılar veya aktüatöre araçları entegre ederken kullanmayı planlarken yararlı olabilecek iyon iletkeni tekstil takviyeli membran yapmak. Burada, örneğin, araçları veya boruları içerecek şekilde modifiye edilebilen tekstil takviyeli membran imalatı için temel prosedürü gösteriyoruz (bkz.²⁴daha fazla bilgi için).
   1. 100 mL Erlenmeyer şişesinde, 2 g poliviniliden florür (PVDF), 2 g iyonik sıvı (örneğin, [EMIM][OTf]), 4 mL propilen karbonat (PC) ve 18 mL n,N-dimethylacetatamide (DMAc) karıştırın.
      DİkKAT: DMAc ve PC toksik ve sağlık tehlikeleri ve cilt ve gözleri tahriş edebilir. Özenle kullanın, bir duman başlık ve kişisel koruyucu ekipman kullanın.
   2. Bir manyetik karıştırıcı çubuğu ekleyin ve bir stoper ile şişe kapatın.
   3. Çözücülerin buharlaşmasını önlemek için şişeyi polietilen bazlı laboratuvar streç filmi ile kapatın.
      NOT: 70 °C'de karıştırmaya dayanabilecek bir streç film kullanın (örneğin, Parafilm'in erime noktası sadece 60 °C'dir ve bu nedenle Parafilm bu uygulama için uygun olmaz).
   4. Bir manyetik karıştırıcı ve sıcaklık kontrollü bir ocak kullanarak 70 °C'de çözeltiyi bir gecede karıştırın. Karıştırma hızını orta hıza ayarlayın. Çok yüksek karıştırma hızı çözeltiye çok fazla hava getirebilir, çok yavaş karıştırma ise önemli ölçüde daha uzun hazırlık süresi neden olabilir.
      NOT: Deneme burada duraklatılmış ve daha sonra devam edilebilir. Hazırlanan çözelti uzun bir süre kapalı bir kapta saklanabilir. Yeniden kullanmaya başlamadan önce depolanan çözeltiyi yeniden ısıtın ve karıştırın (70 °C'de 1 saat karıştırmak genellikle yeterlidir).
   5. Makas kullanarak bir kumaş parçasını (örn. ipek veya cam elyaf bez) kesin.
      NOT: İpek veya cam elyaf gibi inert elyaf bileşimi olan tekstiller en iyi şekilde çalışır, çünkü membran çözeltisinden çözücüler bunları eritmez. Ancak, herhangi bir kumaş kullanmadan önce bir çözücü testi yürütmek için tavsiye edilir. Bu kumaşlar son kompozitin hareketini en az etkilediği için hafif kumaşlar tercih edilir. Videoda dokuma ipek kumaş (11.5 g/m²⁾kullandık.
   6. Bir çerçeve üzerinde kumaş ı bağlayın ve gergin.
   7. Makas kullanarak herhangi bir aşırı kumaş trim ve dikkatle elle herhangi bir gevşek lifleri çıkarın.
   8. Duman kaputunun altında çalışırken, bir boya fırçası kullanarak ince bir membran çözeltisi tabakası ile kumaşı kaplayın.
   9. Tabaka tamamen kurusun. Çözücü buharlaşma işlemini hızlandırmak için özel bir kurulumla birlikte tek başına düşük hızda ve daha sonra özel bir kurulumla (ayrıntılar için Şekil 5'e bakınız) bir sıcak hava tabancası kullanılabilir.
      NOT: Nispeten ıslak bir membran üzerinde özel kurulum ile çok yüksek bir spin oranı kullanarak membran katmanları nda deformasyonlara neden olabilir ve membran malzeme kaybına neden olabilir.
   10. Tabaka kuruduktan sonra, iğne delikleri için arka ışığa karşı kompozit kontrol edin. Bir mikroskop da bu amaç için kullanılabilir.
   11. Membranda iğne delikleri varsa, 1.5.8 adımlarını tekrarlayarak başka bir kaplama katmanı uygulayın. ve 1.5.9.
   12. Takviyenin (yani nötr düzlemin) membranın ortasında kalmasını sağlamak için membran çözeltisini uygularken tekstilin kenarları arasında alternatif olarak (bkz. şekil 3D'de membran tabakasının ortasına yerleştirilmiş tekstil liflerini gösteren SEM görüntüsü).
       NOT: Polimer çözeltisindeki çözücüler daha önce uygulanan katmanları yavaşça eritir. Bu nedenle, zaten uygulanan membran zarar görmesini önlemek için aşırı dikkatli sonraki membran katmanları ekleyin. Mümkün olduğunca ince tabakalar uygulayın ve zaten ıslak yüzeylerin üzerinden asla iki kez geçmeyin.
   13. Bir defektsiz membran elde edildikten sonra, bir mikrometre vida göstergesi kullanarak son kalınlığını kontrol edin. Tipik olarak, en az üç tabaka uygulanmalıdır, yaklaşık 50 μm kalınlığında membran sonuçlanan.
   14. Bitmiş membran en az 24 saat boyunca duman kaputunun altında kurudu.
       NOT: Deney burada duraklatılmış ve daha sonra elektrotlar püskürtülerek devam edilebilir. Ancak, kurutma sırasında toz parçacıklarına karşı hazırlanan membran kalkan tavsiye edilir.

2. Elektrotların yapımı

NOT: Elektrot süspansiyonu, ayrı ayrı hazırlanan ve son süspansiyonu elde etmek için birlikte karıştırılan elektrot solüsyonu A (polimer çözeltisi) ve elektrot süspansiyonu B'den (karbon tozu ve elektrolit içeren) oluşur. Elektrot süspansiyonu için seçilen çözücü, tekstil takviyeli membran konfigürasyonunda kullanılan inert membran takviyelerini veya PVDF'yi çözmez. Bu nedenle elektrot ilavesi sırasında zaten elde edilen membrana zarar verme riski minimumda tutulur.

1. Elektrot çözeltisinin hazırlanması A
   1. 100 mL Erlenmeyer şişesinde, 2 g poli (viniliden florür-ko-heksafloropropilen) (PVDF-HFP) ve 24 mL 4-metil-2-pentanone (MP) karışımı.
      DİkKAT: MP yanıcı ve akut toksiktir. Bir duman başlık ve kişisel koruyucu ekipman kullanın.
   2. Bir manyetik karıştırıcı çubuğu ekleyin ve bir stoper ile şişe kapatın.
   3. Şişeyi polietilen bazlı laboratuvar streç filmi ile kapatın.
   4. Çözeltiyi manyetik karıştırıcı ve sıcaklık kontrollü bir ocak kullanarak 70 °C'de orta hızda karıştırın, polimer genellikle bir gecede tamamen eriyene kadar.
      NOT: Protokol burada duraklatılabilir. Hazırlanan çözelti kapalı ve kapalı bir kapta uzun süre saklanabilir. Çözelti bir jel haline geldiyse, (70 °C'ye) ısıtın ve Adım 2.3'te kullanmadan önce karıştırın. Daha fazla çözücü eklemek gerekli değildir. Tipik olarak, bu tarifteki miktarlar yaklaşık 150 cm² aktif malzeme (son kompozit kalınlığı yaklaşık 150 μm) için verim. Bu iki 10 cm çapında nakış çerçeve toplu karşılık gelir.
2. Elektrot süspansiyonunun hazırlanması B
   1. Başka bir 100 mL Erlenmeyer şişesinde, 1,75 g karbon (örneğin, TiC veya B₄C öncülden elde edilen karbür kaynaklı karbon), 2 g iyonik sıvı (örneğin, [EMIM][OTf]) ve 10 mL MP'yi karıştırın.
      DİkKAT: İstenmeyen elektrostatik şarj etkileri karbon tozutartımı çok zor hale getirebilir. Statik elektrik birikimini azaltmak için tartım sırasında statik dağınan ayakkabı giyin. Ayrıca, ince karbon parçacıklarının teneffüs önlemek için kişisel koruyucu ekipman kullanın.
   2. Manyetik karıştırıcı kullanarak oda sıcaklığında en az 1 saat boyunca kapalı bir kapta süspansiyon karıştırın. Alternatif olarak, ultrasonik sonda zaten bu adımda kullanılabilir (Bkz. Adım 2.3.4)
      NOT: Deney burada duraklatılabilir ve süspansiyon B, son elektrot süspansiyonunu elde etmek için A çözeltisi ile karıştırmadan önce kapalı ve kapalı bir kapta uzun süre saklanabilir veya karıştırılabilir.
3. Son elektrot süspansiyonunun hazırlanması
   1. A çözeltisindeki polimerin, çözünmemiş polimer peletleri (veya parçaları) tespit etmek için şişeyi hafifçe yatırarak tamamen çözündüğünden ve çözeltinin viskoz fakat sıvı formda olduğundan emin olun. Değilse, bir sonraki adıma devam etmeden önce 70 °C'de karıştırın.
   2. Elektrot çözeltisi A'yı (polimer çözeltisi) b elektrot süspansiyonu (karbon, iyonik sıvı, çözücü) içeren şişeye dökün.
   3. A şişesinin duvarlarından kalan herhangi bir malzemeyi durulamak ve B şişesindeki son süspansiyona dökmek için fazladan 10 mL MP kullanın.
   4. Ultrasonik sondayı son süspansiyona batırın, döngüyü 0,5 (darbe) ayarlayın ve bir saat boyunca duman kaputunun altındaki süspansiyonu homojenize edin. Sonda ve cam damar duvarları arasında temastan kaçının. Alternatif olarak, hiçbir ultrasonik sonda varsa, kapalı bir kapta geceleme için birkaç saat için bir manyetik karıştırıcı ile karıştırma kullanılabilir.
      NOT: Deney burada duraklatılabilir ve son elektrot süspansiyonu uzun süre kapalı ve kapalı bir kapta saklanabilir veya karıştırılabilir.
4. Elektrotların püskürtülmesi
   NOT: Elektrotların hazırlanmasında iwata airbrush HP TR-2 kullanılmaktadır. Ancak, sprey tabancaları ve endüstriyel otomatik püskürtme sistemleri diğer türleri alternatif olarak kullanılabilir.
   1. Daha sonra daha kolay temizlik için ağır kağıt ve bant ile duman kaputun duvarlarını kaplayın. Hava alma alanını kapatmayın. Püskürtme sırasında duman kaputkapağını mümkün olduğunca düşük tutun.
   2. Airbrush'ı basınçlı hava beslemesine bağlayın ve basıncı ayarlayın (burada standart bağlantılar ve 2 barın basıncı kullanılır).
      NOT: Basınç süspansiyon taşımak için yeterli olmalıdır, ancak membran zarar vermek için çok yüksek değil.
   3. Airbrush haznesini aseton (veya diğer uyumlu çözücülerle) doldurun ve airbrush'ın temiz ve tıkanıklıksız olup olmadığını kontrol etmek için önce bir kağıt veya karton parçasına püskürtme testi yapın.
   4. Adım 2.3'te hazırlanan elektrot süspansiyonunun şişeyi yatırarak sıvı halde olup olmadığını kontrol edin. Bazı durumlarda, uzun bir süre saklanırsa bir jel dönüşebilir. Tekrar sıvı haline getirmek için sıcaklık kontrollü bir ocak kullanarak manyetik karıştırıcı çubuğu ile karıştırırken 70 °C'ye ısıtın. Daha fazla çözücü eklemek gerekli değildir.
   5. Erlenmeyer şişesinden gelen elektrot süspansiyonu hava fırçasının temiz haznesine dökün.
   6. Önce bir kağıt parçası üzerinde süspansiyon akışını test edin. Daha sonra hazırlanan membran kaplama ya da hareket ettirin.
   7. Püskürtmeye başlamadan önce hava fırçasını hareket ettirmeye başlayın. Yaklaşık 20 cm mesafeden püskürtün ve membrana dik hava fırçası tutun. Airbrush'ın tüm membranı kaplayacak şekilde düz ve kontrollü konturlarda hareket etmesini engelleyin.
   8. Membranın bir tarafını kapsayabilmek için gereken dönüş sayısına dikkat edin veya alternatif olarak membranın her iki tarafında eşit elektrot kalınlıkları sağlamak için rezervuara eklenen süspansiyon hacmini izleyin.
   9. Membranın bir tarafındaki elektrotun duman kaputunun altında kurumasına izin verin. Gerekirse kurutma işlemini hızlandırmak için sıcak hava tabancası kullanılabilir (Bkz. Adım 1.5.9).
   10. 2.4.7-2.4.9 adımlarını tekrarlayarak membranın diğer tarafına ikinci elektrodu uygulayın.
   11. İstenilen kompozit kalınlığa ulaşılına kadar membranın her iki tarafını birden fazla kez kapatın (burada toplam kalınlığı yaklaşık 150 m idi). Bir mikrometre vida göstergesi kullanarak kuru kompozit kalınlığını izleyin.
       NOT: Deneme burada duraklatılmış olabilir. Kuru kompozit Adım 3 altın akım toplayıcıları takmadan önce uzun bir süre için bir zip-lock çanta içinde saklanabilir.

3. Altın akım kollektörleri takmak

1. Tutkal çözeltisinin hazırlanması
   NOT: Bu çözelti elektrot süspansiyonu (ve membran çözeltisi) ile birlikte önceden hazırlanabilir. Daha az viskoz yapmak için kullanmadan önce tutkal yeniden ısıtmak için emin olun.
   1. 100 mL Erlenmeyer şişesinde, 2 g PVDF-HFP, 2 g iyonik sıvı (örn. [EMIM][OTf]), 4 mL PC ve 40 mL MP'yi karıştırın.
   2. Manyetik karıştırıcı ekleyin, şişeyi kapatın ve polietilen tabanlı laboratuvar streç filmi ile kapatın.
   3. Çözelti, genellikle bir gecede, polimer eriyene kadar sıcaklık kontrollü bir ocakta 70 °C'de karıştırın.
2. Akım kolektörü karbon kompozitine takma (bir tarafı)
   1. Adım 2'de hazırlanan aktüatör malzemesini çerçeveden yavaşça çıkarın.
   2. Bir cetvel ve bir neşter kullanarak 4 cm x 3 cm parça kesip. Tekstil takviyeli bir membran kullanılmışsa, kesiği liflerle hizalayın (kompozit malzemenin kenarlarından görünür).
      NOT: Önerilen kesme boyutu, küçük ve orta boy toplu iş için en uygundur. Ancak, çalışan aktüatörlerin elde edilmesi için çok önemli değildir.
   3. Metal bir boru (burada d = 3 cm) alın ve bant kullanarak sıkıca kesilmiş parça düzeltmek. Aktif malzemenin israfını önlemek için aktüatör malzemesinin sadece 1 mm'sini bantla örtmeye çalışın.
      NOT: Borunun malzemesi veya kaplaması tutkal çözeltisinde kullanılan çözücülere dayanmalıdır. Tam bileşimi çalışma aktüatörleri elde etmek için çok önemli değildir. Isıyı iyi ileten malzemeler (örn. metaller) kurutma işleminin hızlandırılmasında yararlı olabilir. Ancak, seramik veya polimer borular veya borular da uygun olabilir.
   4. Makas kullanarak, transfer kağıdı üzerinde 4 cm x 4 cm altın parçalarını kesip, bir kağıt mendil üzerine parçalardan birini yerleştirin.
      NOT: Altın yapraklarının transfer kağıdına daha yumuşak bir yüzeye yerleştirilmesi, kaliteli akım kollektörleri elde edilmesi için çok önemlidir.
   5. Hızlı ve güvenli bir şekilde dik konumda saklanabilir sprey tabancası için bir "yerleştirme" istasyonu hazırlayın. Püskürtme durdurulur durmadan yapıştırıcı kurumaya başlayacaktır ve bu nedenle altın akım kolektörlerinin uygulanmasında herhangi bir gecikme olmaması çok önemlidir.
   6. Duman kaputunun altında çalışırken, bir boru üzerinde sabitlenmiş olan aktüatör malzemesine Adım 3.1.3'ten yapıştırıcı çözeltisini püskürtün (Adım 3.2.3).
   7. Tutkal hala ıslak iken altın varak (Adım 3.2.4) üzerinde boru rulo. Haddeleme için aşırı basınç gerekmez.
   8. Transfer kağıdını çıkarın ve altının düzgün bir şekilde takılı olduğundan emin olmak için kağıt mendilin üzerine tekrar yuvarlayın.
   9. Yaklaşık 20 ila 30 dakika kuruması için malzemeyi kızılötesi (IR) ışığı (mesafe 10 ila 15 cm) veya vakum fırınına (oda sıcaklığında mümkün olan en yüksek vakum) yerleştirin.
   10. Geçerli toplayıcı düzgün takılmadıysa veya bazı büyük kusurlar varsa, ilk katman tamamen hatasız akım toplayıcısı elde etmek için kuruduktan sonra ikinci bir katman eklemek için 3.2.3 ile 3.2.9 adımlarını tekrarlayın.
3. Bileşik diğer tarafında geçerli toplayıcı ekleme.
   1. Bandı yavaşça çıkarın ve malzemeyi borudan çıkarın.
   2. Herhangi bir tutkal ve altın kalıntısı kaldırmak için aseton ve kağıt mendil ile boru temizleyin.
   3. Boruya bakan altın kaplı tarafı olan boru üzerindeki aktüatör malzemesini tekrar sabitle.
   4. 3.2.3 ile 3.2.10 adımlarını tekrarlayın ve malzemenin diğer tarafına da geçerli toplayıcıyı takın.
   5. Bitmiş kompoziti borudan dikkatlice çıkarın ve en az 24 saat boyunca duman kaputunun altında kurumaya bırakın.
      NOT: Malzemeyi toz parçacıklarına karşı koruyun. Kurutuldıktan sonra, malzeme bir zip lock çanta içinde saklanabilir. Numunenin yüksek sıcaklıklarda boru üzerinde kurumaya terk edilmesi bunun yerine uzun bir süre (birkaç saat ila günler) aktüatörtermoformverir ve bu nedenle termoform amaç olmadığı sürece kaçınılmalıdır.

4. Aktüatörlerin kesilmesi, şekillendirilmesi, temas kurması ve karakterizasyonu

1. Aktüatörkesme
   1. İstenilen şekle aktüatör kesmek için keskin bir neşter (ve metal bir cetvel) kullanın. Aktüatörün yanlarında fazla altının neden olduğu kısa devrelerden kaçınmak için her zaman malzemenin her tarafını kesin.
      NOT: Malzemenin makas kullanarak kesilmesi tavsiye edilmez, çünkü bu malzemeyi deforme edebilir ve numunenin yanlarında kısa devrelere neden olabilir.
2. Aktüatörün şekillendirilmesi (örn. bir kavrayıcıya)
   NOT: Bu polimerik kompozit malzemenin şekli daha ilginç uygulamalar için düz laminattan daha gelişmiş bir şeye kolayca değiştirilebilir. İstenilen yapılandırmaya bağlı olarak, önce kişileri takmak gerekebilir.
   1. Kesme aktüatöralın ve bir kalıp içine yerleştirin (örneğin, küçük bir cam şişe içine video gösterildiği gibi).
   2. Numuneyi en az 1 saat fırına koyun ve 60 °C'ye ısıtın.
3. Aktüatör kullanma
   NOT: Videoda, temas yapmak için özel manyetik kontaklar ve modifiye Kelvin klipleri gösteriyoruz. Her iki durumda da, 24k altın plakalar aktüatör ile doğrudan temas eden tek malzemedir.
   1. Aktüatörü elektrokimyasal olarak reaktif olmayan kontaklar (örn. altın) arasında kıskaca.
      NOT: Temas basıncı güvenilir elektriksel temas elde etmek için yeterli olmalıdır, ancak kalıcı deformasyonlara neden olacak kadar yüksek olmamalıdır.
   2. Adım gerilimi (veya akım) uygulayın veya aktüatörü kontrol etmek için daha karmaşık kontrol sinyalleri kullanın. Tipik olarak, bu tür aktüatörleri sürmek için ±2 V veya daha az adım gerilimleri kullanılmıştır. Aktüatör kontrolü yle ilgili daha fazla bilgi için Ref^24'e bakın.
   3. Aynı anda bir lazer deplasman metre veya bir video kamera kullanarak aktüasyon kaydedin.
4. SEM görüntüleme için kriyo-kırma (PTFE tabanlı aktüatörler)
   NOT: Numunelerin sıvı nitrojenle dondurulduktan sonra kırılması, SEM görüntüleme sırasında temiz kesitler elde etmek için tercih edilen yaklaşımdır.
   DİkKAT: Sıvı nitrojen kabının kapağını asla sıkıca kapatmayın. Basınç birikimi ve sonraki serbest bırakılması ciddi yaralanmalara neden olabilir. Ayrıca sıvı nitrojen −196 °C'de kaynar, bu nedenle düşük sıcaklıklarda yaralanmaları önlemeye de özen gerekir.
   1. Isı yalıtım kabına sıvı nitrojen dökün (örn. tek kullanımlık köpük bardak)
   2. İlk olarak, sıvı nitrojen içine örnek ve daha sonra metal araçları yerleştirin ve yaklaşık 1 dakika boyunca örnek dondurma sağlar.
      NOT: Metal aletlerin (örn. neşter veya cımbız) soğutulması, sıcaklık farklılıklarınedeniyle olası bir delaminasyonu önlemek için tavsiye edilir. Ancak, metallerin daha iyi ısıiletkenliği sayesinde aletlerin polimerik kompozitten daha kısa soğutma süreleri gerekir. Ayrıca, çok derin soğutmalı metal aletler işlemek imkansız olabilir.
   3. Dondurulmuş numuneyi iki set soğutulmuş cımbızla alın ve kırın.
5. SEM görüntüleme (tekstil takviyeli aktüatörler) için kriyo-kırma.
   NOT: Tekstille güçlendirilmiş aktüatörler (özellikle cam elyafı kullanılıyorsa) donmuş durumda bile kırılmayabilir. Temiz kesitler soğutulmuş bir bıçak kullanılarak kesilerek elde edilebilir.
   1. Aktüatörü ve sıvı nitrojendeki neşteri dondurun (Adım 4.4.2'deki Nota bakın).
   2. Dondurulmuş numuneyi yapışmaz bir kesme yüzeyine (örneğin, bir ptfe bloğu) yerleştirin ve soğutulmuş neşter kullanarak aktüatör malzemesini doğrayın.

Sonuçlar

Başarılı ve başarısız bir deneyi ayırt etmek için birincil bitiş noktası, malzemenin bir güç kaynağına temas edildikten sonra elektrik sinyallerine verdiği tepkidir. Elektrik mühendisliğinde bakır, temas yapmak için iyi bilinen bir malzemedir. Ancak, bakır da elektrokimyasal olarak aktif ve bu nedenle burada tanıtılan bir iyonik sistem ile temas yapmak için uygun değildir. Bakır kontakların kullanılması kompozit yoluyla dendrite oluşumuna bağlı kısa devrelere neden olabilir. Ayrıca, malzeme karakterizasyonu durumunda, elektroaktif malzemeden kaynaklanan akımları (ve aktilasyonu) ve bakırın elektrokimyasal aktivitesinden kaynaklanan akımları (ve aktilasyonu) birbirinden ayırmak mümkün değildir²⁹. Daha önce göstermiştir ki, herhangi bir aktif madde olmadan (yani karbon bazlı veya iletken polimer elektrotlar olmadan) aktüasyonun ıslak iyonomer membranlar (örneğin, Nafion) ve sadece bakır terminalleri²⁹olması durumunda mümkündür. Bu nedenle, burada aktif malzeme ile tüm deneyler sadece inert altın kontaklar kullanılarak yapılmıştır.

Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS), kapasitif aktüatör materyalinin kullanımdan önce karakterizasyonu ve sorun giderme için zararsız bir yöntemdir. Şekil 4C ve 4D'deki empedans spektrumları iki elektrot konfigürasyonunda potansiyostat/galvanostat/FRA kullanılarak yakalandı. Numune (20 mm x 4 mm x 150 μm) altın kontaklar arasına yerleştirildi, empedans ölçümü sırasında giriş sinyali genliği 5 mV_RMS olarak ayarlandı ve 200 kHz'den 0,01 Hz'e kadar frekanslar tarandı. Şekil 4C ve 4D, sırasıyla yüksek (~300 Ω cm²) veya düşük (~5 Ω cm²⁾iç direnci olan aktüatörlerden tipik empedans spektrumlarını göstermektedir. Spektrumlar sırasıyla kuru PTFE membranlı bir örnek ve ıslatılmış membranlı başka bir örnek kullanılarak kaydedildi. Malzeme ile daha yüksek iyonik iletkenlik daha hızlı aktüatörler ve muhtemelen aynı aktüasyon frekansında daha fazla deplasman karşılık eğilimindedir (Şekil 4Bbakınız), tüm diğer parametreler (örneğin, mekanik parametreler) değişmeden tutulur ve genel olarak malzeme aktif.

EIS'nin zararsız yapısı özellikle kompozitteki kısa devrelerin tespiti için yararlıdır. Akım protokolüuyarınca hazırlanan aktüatörler durumunda, kısa devreler genellikle aktüatör ün yanlarında bulunan akım kolektör enkazLarından (Bkz. Adım 4.1.1'deki kesme talimatları) veya daha nadiren hatalı bir membran (örneğin, Tekstil takviyeli membrandaki tüm iğne deliklerini kapamadığında Bölüm 1.5'te belirtildiği gibi). Bir rezistans (bu durumda bir kısa devre) bir EIS deneyinn Nyquist arsa üzerinde bir nokta olarak sunulacak. Bu yanıtın gözlemlemesi hatalı bir örneğin belirli bir göstergesidir (bkz. fonksiyonel kapasitif aktüatörlerin referans spektrumları için Şekil 4C ve 4D). Kısa devre örnekleri genellikle harekete geçmez. Ayrıca, bu en sık kalıcı dirençli ısıtma ve kompozit ortaya çıkan erime nedeniyle kalıcı olarak işe yaramaz hale olurdu zaman harekete geçmeye çalıştı.

Fonksiyonel formunda, bu malzeme, imalatında kullanılan özel olarak uyarlanmış elektrolitler sayesinde çift katmanın şarj edilmesi ve boşaltılmasına tepki olarak bükme hareketi gösteren çift katmanlı bir kondansatördür. Siklik voltammetri (CV) elektrokimyada farklı sistemleri incelemek için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bir CV deneyi sırasında, çalışan elektrotun potansiyeli (bu durumda aktüatörün elektrotlarından biri) sabit hıza sahip bir karşı elektrot (burada aktüatörün diğer elektrodu) açısından değişir ve sistemden gelen akım tepkisi bir potansiyostat kullanılarak kaydedilir. Kapasitif laminattan tipik bir akım yanıtı Şekil 4E'dever. Numunenin ıslatılmış PTFE membranı ile (4E'dekoyu gri) olan akım tepkisi ideal bir kapasitörünkine benzer: akım elektrot potansiyeline bağlı değildir ve potansiyeli tersine çevirmesi üzerine, akım yönü (ve dolayısıyla işareti) hemen değiştirilir ve bu da (neredeyse) dikdörtgen voltammogramla sonuçlanır. Numunenin başlangıçta kuru bir membranla (4E'depembe) verdiği akım yanıtı, muhtemelen malzemenin yüksek iç direnci nedeniyle bu tetkik hızında daha az ideal kondansatör davranışını göstermektedir (Şekil 4C'deEIS tarafından da kanıtgörüldüğü gibi). Yine de, her iki örnek kompozit kapasitif doğasını göstermektedir. Öte yandan, Şekil 4E'deki açık gri çizgiler, Ohm yasasını yakından takip edecek hatalı örneklerden (örn. kısa devreli örnekler) olası davranışları göstermektedir.

Farklı fonksiyonel aktüatörlerin performansı Şekil 4A ve Şekil 4B'de sunulmuştur. Şekil 4A, 5 parmaklı ısıl biçimlendirilmiş bir aktüatör kavramasının olduğu, voltaj adımlarına yanıt olarak rasgele şekilli bir nesneyi tuttuğu ve serbest kıldığı videodaki anlık görüntüleri gösterir. Basit geometriler genellikle malzeme karakterizasyonu amacıyla kullanılır. Örneğin Şekil 4B, ±2 V arasındaki üçgen gerilim sinyallerine yanıt olarak kuru ve ıslatılmış PTFE membran aktüatörlerinin maksimum bükme açısı^28,30'u vurgular. Farklı aktüatör malzemelerini karakterize etmek için, örnekler (4 mm x 20 mm x 150 μm) kantilever pozisyonundaki altın kelepçeler arasına yerleştirildi (aktüasyon için 18 mm serbest uzunluk bırakarak) ve bükme açısı bir video kamera kullanılarak kaydedildi. Alternatif olarak, aktüatör boyunca tek bir noktanın hareketi (örneğin, temaslardan 5 mm) genellikle zaman içinde izlenir ve gerinim farkı hesaplamalarında^31,32kullanılır. Video işleme, daha karmaşık olsa da, numunenin tüm bükme profili hakkında daha fazla bilgi verir ve böyle bir ihtiyaç ortaya çıkarsa, daha sonra performansı yeniden analiz etmenizi sağlar. Şekil 4B'deki 0.1 Hz noktası, Şekil 4E'nindöngüsel voltammetri deneylerinde kullanılan sinyalin aynısına karşılık gelir , hem aktüasyon gerilimi hem de aktüasyon frekansı açısından. Karakterizasyon ve harekete geçme için aynı sinyali kullanmak, örneğin, malzemenin kapasitif doğası ve aktüasyon sırasında elektrokimyasal reaksiyonların stabilitesi ve eksikliği hakkında sonuçlar alabilmemi sağlar.

Elektrokimyasal yöntemler (EIS, CV), (tipik olarak) mikrometre düzeyinde aktüatör yapısının görselleştirilmesi (SEM) ve yer değiştirme karakterizasyonu iyonik aktüatörlerin karakterizasyonu ve üretim sürecinin başarısını değerlendirmek için en yaygın yöntemlerdir. Ancak, aktüatörün performansını daha özel bir uygulamada değerlendirmek için yapılan özel denemeler genellikle uygulamaya özgü performansı (örn. yük taşıma yeteneği) değerlendirmek için geliştirilmiştir.

Şekil 3: Görüntüleme. Son derece gözenekli PTFE membranını(A)ve aynı membran kullanılarak yapılan bir aktüatörün kesitini gösteren taramalı elektron mikrografları(C). Sem mikrograf, tekstille güçlendirilmiş aktüatörün(D)kesitini ve buna karşılık gelen ipek takviyenin optik fotoğrafını gösteren bir mikrograf (B). SEM kesitleri için numuneler önce sıvı nitrojen kullanılarak kriyo-kırık, metal numune tutucuya monte edilmiş ve daha sonra bir fışkırtıcı kaplama kullanılarak daha iyi tanım için 5 nm altın püskürtüldü. 15 keV ivme geriliminde görüntüleme için bir masa üstü taramalı elektron mikroskobu kullanıldı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Aktüatörün temsili sonuçları. (A) Voltaj adımları ve beş kollu kavrayıcının rasgele şekilli bir nesneyi uyumlu bir şekilde kavraması (temassız aktüatör 21 mg; polistiren köpük yükü 17.8 mg); (B) 4 mm x 20 mm x 150 μm PTFE esaslı aktüatörlerin toplam bükme açısı, farklı aktüasyon frekanslarında üçgen aktüasyon sinyaline (±2 V) yanıt olarak altın kontaklar (18 mm serbest uzunluk) arasında kenetlenmiş (n=3, hata çubukları ortalamanın standart bir sapmasını temsil eder); (C ve D) elektromekanik olarak aktif kapasitif laminatların tipik elektrokimyasal empedans spektrumları (5 mV_RMS sinyal genliği); (E) kapasitif laminatların tipik döngüsel voltammetrisi (B'deki0,1 Hz noktalarına karşılık gelen 800 mV/s tcan hızı kullanılarak üçgen aktüasyon sinyali). Döngüsel voltammogramlar üzerinde gri çizgiler karşılaştırma için ve potansiyel bir hatalı aktüatör (aslında bir direnç) yakından Ohm yasa takip edecek yanıt göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Membran hazırlama sırasında spin-kurutma. (A) kurulum şemaları (B) takviye ekli bir çerçeve ile kurulum görüntü. Spin kurutma sırasında, santrifüj kuvveti membran tabakasındaki artık çözücüyu çerçevenin kenarına yönlendirir. Bu kurutma işlemini hızlandırmak için yararlı olabilir. Ancak, tamamen ıslak membranlar durumunda, bu aktif malzeme kaybına neden olabilir (polimer ve iyonik sıvı) ve bu nedenle kaçınılmalıdır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Tartışmalar

Çeşitli aktüatör uygulamaları için iyonik elektromekanik olarak aktif kompozit hazırlama ve enerji depolama, hasat³³ veya algılama³⁴ uygulama için küçük değişiklikler için basit, hızlı, tekrarlanabilir ve çok yönlü bir üretim yöntemi sunduk. Mevcut yöntem, entegre pasif ve kimyasal olarak inert bileşenli membranlara odaklanır (örneğin, tekstille güçlendirilmiş polimer ağ veya son derece gözenekli Teflon membran, ayrıca bkz. Şekil 3)çünkü bu membranlar aktüatör hazırlama işlemini büyük ölçekte de önemli ölçüde basitleştirir. Ayrıca, ortaya çıkan membranlar, elektrot süspansiyonundaki çözücüler (veya elektrolit) veya diğer birçok ortak aktüatör üretim yöntem ve malzemeye göre kısa devre hotspot oluşumu nedeniyle daha düşük şişme ve bükülme riskine sahiptir.

Kapasitif aktüatör laminat hazırlığındaki kritik adımlar membran hazırlama, elektrot imalatı, akım kolektörü eki, kesme ve kontaktlamadır (Şekil 2). Bu adımların her biri özelleştirme ve performans optimizasyonu için değil, aynı zamanda hatalar için de yer bırakır. Aşağıdaki bölümde bu üretim yönteminin yararlı modifikasyonları ve sorun giderme stratejileri ayrıntılı olarak ele alınacaktır. Akılda tutulması gereken birkaç önemli yönün etkileşiminden kaynaklanan yüksek performanslı kompozit sonuçlar: elektrot boyunca yeterli elektronik iletkenlik (karbon elektrotlara altın akım toplayıcısı ekleyin); membran üzerinden yeterli iyonik iletkenlik (ince gözenekli membran ve düşük viskozitli elektrolit yeterli miktarda kullanın, inert bir polimer ağ kullanarak membran ve elektrolit arasındaki olumsuz etkileşimriskini azaltmak); elektrotun yüksek yüzey alanı (uygun bir karbon türü seçin); elektrotların asimetrik şişmesi/daralması ile sonuçlanan özel elektrolitler (uygun bir elektrolit seçin); mekanik parametreler (Young'ın modülerbileşenleri). Yüksek performanslı karbon bazlı aktüatörün bu ana yönleri de Şekil 1B'devurgulanmıştır.

Yüksek performanslı membran bu kompozitin merkezi parçasıdır. İki görevi vardır: elektrotlar arasında elektron iletkenliğini (kısa devreleri) önlerken yüksek iyonik iletkenliği sağlar. Membranda yapılan değişiklikler, Must ve ark.²⁴ tarafından tanıtılan takım entegrasyonu veya yeni özelliklerin eklenmesi (örn. biyouyumluluk, biyolojik bozunabilirlik veya farklı mekanik özellikler) gibi çeşitli amaçlara hizmet edebilir. Mevcut üretim yöntemi aktif laminat yeni özellikler tanıtmak için membran diğer polimerler ve elektrolitler kullanmak için değiştirilebilir. Tekstil takviyeli aktüatörler için burada tanıtılan çözücü seçim stratejisi gibi, membran hazırlama ile karşılaştırıldığında sonraki elektrot imalatı için daha yoksul çözücüler seçmek için tavsiye edilir. Bu membran elektrotlar ilave sonra da fonksiyonel ve bozulmamış kalmasını sağlar.

Son kompozitin aktüasyon performansı seçilen elektrot materyalinden (karbon), elektrolitten ve muhtemelen birbirleriyle uyumluluklarından etkilenir. Bu protokol, bor karbür kaynaklı karbon ve 1-etilimiyezolium trifloromethanesulfonat ([EMIM][OTf]) iyonik sıvı kullanılarak karbon bazlı kapasitif laminatların imalatını tanıtır. Ancak, aynı protokol diğer kaynaklardan karbür türetilmiş karbonlar gibi diğer yüksek spesifik yüzey alanı karbon malzemeleri, uyarlanabilir (örneğin, TiC³⁵, SiC veya Mo₂C³⁶), karbon nanotüpler^8,37, karbon aerogel³⁸ veya grafen³⁹, ve diğerleri, aynı zamanda son zamanlarda gözden⁴⁰. Ayrıca, diğer elektrolitler de aktüatör hazırlanmasında kullanılabilir. İşlevsel kompozit elde etmek, bu protokolde sunulan karbon ve iyonik sıvı türleri ile sınırlı değildir. Karbon parçacık boyutu, elektrot süspansiyonundaki olası aglomerasyonları ve süspansiyon viskozitesi püskürtme kaplama işlemi için daha önemli parametrelerdir.

Bu yöntem, elektromekanik olarak aktif laminat malzemenin büyük miktarlarda tekrarlanabilir özelliklere sahip üretimini mümkün kılmasını sağlar. Bu malzemeden yapılmış aktüatörlerin minyatürleştirilmesi esas olarak yüksek hassasiyetli kesim kullanılarak gerçekleştirilir (örneğin, Şekil 3C). Maskeleme ve desenleme gibi ince yapıların hazırlanması için alternatif yöntemler, sprey kaplama⁴¹sırasında mümkündür. Ayrıca, milimetre ölçekli yapılar da sonraki altın akım toplayıcı eki adım desenli olabilir. Ancak, milimetrenin altında ölçekte bu oldukça zor olabilir. Desenlenebilir özellikler mikrometre ölçeğinde olması gerekiyorsa, altın akım kollektörleri olmayan diğer aktüatörler veya karbon bazlı aktüatör türleri daha kolay hazırlanabilir.

Elektriksel uyaranlara yanıt veren intrinsically yumuşak aktüatörler yumuşak ve uyumlu doğası, sessiz çalışma ve düşük gerekli voltaj seviyeleri sayesinde birçok avantaja sahiptir. Geçerli protokol, bu tür malzemelerin daha büyük miktarlarda ve yüksek toplu iş ve toplu işlem performansından ödün vermeden toplu olarak nasıl üretilebildiğini gösterir. Başarılı toplam kapsülleme yaklaşımlarına ek olarak yakın veya içeride yaşayan organizmaların çalışmasını sağlayacak daha biyo-dostu ve muhtemelen biyo-bozunabilir bileşenleri de dahil etmek için mevcut yöntemde yapılan değişiklikler ve tanıtılan aktif materyalin yumuşak robotik veya biyomedikal cihazlara entegrasyonu gelecek için öngörülmektedir.

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
~150 µm thick gold plates for custom contacts	local jeweler		99.9% purity (24K)
1-ethyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate ([EMIM][OTf])	Solvionic		99.5%
100 ml Erlenmeyer flask
4-methyl-2-pentanone (MP)	Sigma Aldrich		≥99%
acetone			technical grade
analytical balance	Mettler Toledo AB204-S/PH
carbon powder	Y Carbon		boron carbide derived carbon, particle size <10 µm, specific surface area 1800 m2/g, pore volume 0.5 cm3/g
carbon powder	Skeleton Technologies		titanium carbide derived carbon
circular disk magnets (neodymium) for custom contacts	local hardware store		d = 2 mm, thickness 1 mm
compressed air supply for the airbrush
crocodile clips with jaws insulated from each other (Kelvin clips)	local hardware store		Optional for making custom contacts. Regular crocodile clips are not suitable because there the jaws are connected to each other at the spring.
disposable foam cup
epoxy glue	local hardware store		preferaby fast cure epoxy for attaching gold contacts to magnets
filter paper for drying	Munktell, Filtrak		e.g. diameter 150 mm and up if 142 mm PTFE sheet is used.
flat nose tweezers
glass funnel
gold leaf on transfer sheets	Giusto Manetti Battiloro		24K
graduated glass cylinder
hairdryer or a heat gun	e.g. Philips
infrared ligth bulb	e.g. Philips
liquid nitrogen			CAUTION: Never close the lid of a liquid nitrogen container tightly. The pressure build-up could cause serious injuries.
magnetic stirrer / hotplate
magnetic stirrer bars			about 1 cm long
metal pipe			e.g. d = 3 cm
metal ruler
micrometer thickness gauge	Mitotuyo		range 0-25 mm, precision 0.001 mm
N,N-dimethylacetamide (DMAc)	Sigma Aldrich		99.5%
paintbursh
plastic embroidery hoops	e.g. Pony		select the diameter depending on the desired batch size (e.g. 7.5 cm to 25 cm)
plastic Pasteur pipettes
polyethylene-based laboratory stretch film	DuraSeal
polyvinylidene difluoride-co-hexafluoropropylene (PVDF-HFP)	Sigma Aldrich		Mn = 130000, Mw = 400000
polyvinylidene fluoride (PVDF)	Sigma Aldrich		Mw (g/mol) = 534000
potentiostat/galvanostat/FRA	PARSTAT 2273		needed for electrochemical characterization
propylene carbonate (PC)	Merck		99%
PTFE filtration membrane	Omnipore	JVWP14225	0.1 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 30 µm thickness, 80% porosity
PTFE filtration membrane	Omnipore	JGWP14225	0.2 µm pore size, hydrophilic , 142 mm diameter, 65 µm thickness, 80% porosity
scalpel
scotch tape
silk (woven textile)	Esaki Model Manufacturing	#3	11.5 g/m2
soldering equipment	local hardware store		For connecting the ~150 µm gold plates to the clips
spray gun, airbrush	Iwata HP TR-2
sputter coater	Leica EM ACE600
tabletop scanning electron microscope	Hitachi TM3000
ultrasonic processor	Hielscher UP200S