Исследователи из Хьюстонского университета сообщают о прорыве в области материаловедения и инженерии с разработкой электрохимического привода, в котором используются специальные органические полупроводниковые нанотрубки (OSNT).

В настоящее время привод находится на ранних стадиях разработки, и он станет ключевым элементом исследований, которые внесут свой вклад в будущее робототехники, биоэлектроники и биомедицины .

«Электрохимические устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую, имеют потенциальное применение во многих областях, от мягкой робототехники и микронасосов до автофокусных микролинз и биоэлектроники», — сказал Мохаммад Реза Абидиан, доцент кафедры биомедицинской инженерии инженерного колледжа UH Cullen. Он является автором-корреспондентом статьи «Органические полупроводниковые нанотрубки для электрохимических устройств», опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, в которой подробно рассказывается об открытии.

Значительное движение (которое ученые определяют как срабатывание и измерение как деформационное напряжение) и быстрое время отклика были недостижимыми целями, особенно для устройств с электрохимическим исполнительным механизмом, которые работают в жидкости. Это связано с тем, что сила сопротивления жидкости ограничивает движение исполнительного механизма и ограничивает перенос и накопление ионов в материалах и конструкциях электродов. В лаборатории Абидиана он и его команда усовершенствовали методы работы, чтобы обойти эти два камня преткновения.

«Наше электрохимическое устройство с органическими полупроводниковыми нанотрубками демонстрирует высокие характеристики срабатывания с быстрым переносом и накоплением ионов и настраиваемой динамикой в ​​жидких и гель-полимерных электролитах. Это устройство демонстрирует отличные характеристики, включая низкое энергопотребление / деформацию, большую деформацию, быструю реакцию и отличную стабильность срабатывания «, — сказал Абидиан.

Он объяснил, что эти выдающиеся характеристики проистекают из огромной эффективной площади поверхности нанотрубчатой ​​структуры. Большая площадь способствует переносу и накоплению ионов, что приводит к высокой электроактивности и долговечности.

«Низкие значения потребляемой мощности / деформации для этого привода OSNT, даже когда он работает в жидком электролите, знаменуют собой существенное улучшение по сравнению с ранее описанными электрохимическими приводами, работающими в жидкости и воздухе», — сказал Абидиан. «Мы оценили долгосрочную стабильность. Этот актуатор из органических полупроводниковых нанотрубок показал превосходную долгосрочную стабильность по сравнению с ранее описанными актуаторами на основе конъюгированных полимеров, работающих в жидком электролите».

Используемые органические полупроводники, называемые сопряженными полимерами, были открыты в 1970-х годах тремя учеными — Аланом Дж. Хигером, Аланом МакДиармидом и Хидеки Ширакавой — которые в 2000 году получили Нобелевскую премию за открытие и разработку сопряженных полимеров.

Чтобы новый тип привода затмил статус-кво, конечный продукт должен доказать не только высокую эффективность (в данном случае как в жидком, так и в гелевом полимерном электролите), но и его долговечность.

«Чтобы продемонстрировать потенциальные возможности применения, мы спроектировали и разработали подвижный нейронный зонд микронного размера, основанный на микроактюаторах OSNT. Этот микрозонд потенциально может быть имплантирован в мозг, где записи нейронного сигнала подвергаются неблагоприятному воздействию в результате либо повреждения ткани, либо смещения нейронов, можно усилить, регулируя положение подвижных микрокантилеверов », — сказал Абидиан.

Следующим шагом будет тестирование на животных, которое скоро будет проведено в Колумбийском университете. Первые результаты ожидаются к концу 2021 года, после чего последуют более долгосрочные испытания.

«Учитывая достигнутые к настоящему времени достижения, мы ожидаем, что эти новые электрохимические устройства на основе OSNT помогут продвинуть новое поколение мягкой робототехники, искусственных мышц, биоэлектроники и биомедицинских устройств», — сказал Абидиан.