Under fotosyntesen, naturliga löv med utarbetade arkitekturer och funktionella komponenter kan skörda och omvandla solenergi till kemiska bränslen som omvandlas till energi. Den biologiska energiproduktionen har gett materialforskare ett nytt bioinspirerat paradigm för att producera många autonoma system, inklusive ljusutlöst rörelse. I en färsk rapport, Guofo Cai och medarbetare vid institutionerna för materialvetenskap och teknik, Astronautisk vetenskap och mekanik, och kemiteknik, utvecklat en oöverträffad dubbelskiktad ställdonbas på MXene (Ti ₃ C ₂ T _x )-cellulosakompositer (MXCC) och polykarbonat (PC) membran.

Enheten efterliknade den sofistikerade arkitekturen hos ett löv och visade energiskörd och omvandlingsförmåga liknande fotosyntes. Det dubbelskiktade manöverdonet innehöll mycket önskvärda egenskaper inklusive; multiresponsivitet, lågeffektaktivering, snabb aktiveringshastighet, stor form deformation, robust stabilitet och programmerbar anpassningsförmåga – väl lämpad för moderna mjuka ställdonbaserade smarta system. Cai et al. tror att dessa adaptiva mjuka system kommer att vara attraktiva som revolutionerande teknik för att bygga mjuka robotar, smarta omkopplare, för informationskryptering, infraröd dynamisk display, kamouflage och temperaturreglering. De föreställer sig ytterligare användningar av tekniken för att utveckla gränssnitt mellan människa och maskin, såsom haptik. Studien är nu publicerad i Vetenskapens framsteg .

Materialforskare har studerat material och enheter som dynamiskt ändrar form, storlek och elektriska/mekaniska egenskaper som svar på yttre stimuli för en mängd olika tillämpningar. Sådana enheter har viktiga funktioner som ställdon, konstgjorda muskler, inom robotik, som energigeneratorer, sensorer och smarta gardiner. Forskare har ägnat betydande ansträngningar för att utveckla smarta ställdon baserade på en mängd olika aktiva material som kolnanorör och grafen, formminnespolymerer, geler, konjugerade polymerer och flytande kristallelaster samt keramer och legeringar.

En mängd olika miljöstimuli som fukt, temperatur, elektricitet, ljus och pH kan utlösa fysiska förändringar av dessa material. Men det är för närvarande svårt att öka aktiveringshastigheten och uppskalningsformändringar på grund av dålig mekanisk och termisk instabilitet som begränsar deras kapacitet. Att bygga ett smart ställdon som reagerar på olika stimuli som fukt, elektricitet, värme eller ljus med snabb aktivering, stor form deformation, programmerbar anpassningsförmåga och robust stabilitet är därför mycket önskvärt. För att bygga nya och förbättrade materialegenskaper, materialforskarna måste därför utforska tidigare oidentifierade kombinatoriska material och rationellt utforma enhetskonfigurationer för att uppfinna högpresterande ställdon.

MXene (Ti ₃ C ₂ T _x ) som används i detta arbete tillhör en ny familj av flytande kristallina, tvådimensionella (2-D) metallkarbider med utmärkt elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga och fototermisk omvandling för att bilda multiresponsiva och potentiellt högpresterande ställdon. Endast ett enda exempel finns för närvarande på användningen av MXene som ett elektrokemiskt ställdon. I detta arbete, därför, Cai et al. syftar till att använda MXene som ett multiresponsivt mjukt manöverdon för att utforska lövinspirerade, sofistikerad arkitektur för enkel manövrering, kombinerat med synergistiska funktionella komponenter.

Inspirerad av den biologiska arkitekturen och fotosyntesmekanismen hos ett naturligt blad, Cai et al. designat en asymmetrisk, dubbelskiktat mjukt ställdon som använder enkristall, 2-D MXene nanosheets för att skörda elektrisk eller lätt energi för omvandling till termisk energi. För detta, de använde biokompatibla, cellulosa nanofibrer för att bilda venskelettet för snabba bladliknande formförändringar tillsammans med polykarbonat (PC) filtermembran för att bilda stomata och epidermis för vatteninsättning och extraktion till eller från MXene-cellulosakompositerna (MXCC). Forskarna bekräftade den ökade absorptionen av vatten i MXCC på grund av närvaron av cellulosa med hjälp av Fourier Transform Infrared (FTIR) spektra. Genom att använda utvalda areaelektrondiffraktionsmönster (SAED), de upptäckte närvaron av MXene som en hexagonal struktur och enkelkristallinitet utan defekter på nanometerskala.

Det mjuka ställdonet bibehöll en platt och orynklig form under omgivande förhållanden med relativ fuktighet, medan den böjs som svar på ökande/minskande luftfuktighet i miljön, vilket Cai et al. kvantitativt analyserade. De noterade utmärkta ställdonprestanda och kontrollerbara böjvinklar i en mängd olika fuktighetsnivåer. Forskarna undersökte sedan den elektriska aktiveringen av enheten genom att ansluta en MXene-cellulosaremsa till två koppartrådar. Böjningsvinkeln minskade nästan linjärt med ökande elektrisk effekt, medan det mjuka ställdonet bara krävde en låg spänning för att uppnå extrem aktivering. Jämfört med fuktbaserad aktivering, forskarna uppnådde större böjningsvinklar med elektrotermisk aktivering.

Forskarna registrerade också temperaturvariationer och bindningsvinklar för mjuka ställdon som använder nära infraröd (NIR) ljusbestrålning. De observerade en anmärkningsvärd synergistisk aktiveringsrörelse hos MXene/cellulosakompositmaterialet, i motsats till dålig aktiveringsprestanda hos de enskilda komponenterna. Baserat på den observerade optiska absorptionen, fototermisk omvandling och elektrokemisk aktivering, Cai et al förutser användningen av dessa kompositsmarta mjuka ställdon i fotokänsliga funktioner.

Cai et al. undersökte vidare de fotoinducerade mekaniska krafterna hos materialet under NIR-ljusbestrålning på en mekanisk analysator. Aktiveringsprocessen för MXCC/PC var snabb och reversibel. Forskarna studerade de strukturella förändringarna av MXCC/PC- och MXene/PC-manöverdonen under olika belysningsintensiteter med hjälp av röntgendiffraktionsmätningar (XRD) för att visa amorf karaktär hos cellulosa och PC-membran. De undersökte det mekaniska beteendet med hjälp av finita elementmodelleringsmetoder (FEM) för att ytterligare förstå aktiveringsprocessen för kompositmaterialet. Modelleringsresultaten stämde överens med de experimentella resultaten i studien.

För att demonstrera programmerbart aktiveringsbeteende, forskarna utvecklade en serie sofistikerade konfigurationer. Inklusive ett dubbelvikt U-format ställdon, trefoil bågformad aktuator och självblommande blomma där kronbladen öppnade sig och blommade före NIR-bestrålning för att stänga snabbt vid exponering för NIR. Dessutom, forskarna utforskade en mängd olika smarta enheter som maskliknande robotar, smarta omkopplare, en krypteringsenhet samt IR dynamisk display och kamouflage för att utöka det primära konceptet. Vidare, Cai et al. konstruerade en smart switch genom att mönstra korsformad MXCC på PC-membranet, som de styrde med hjälp av trådlöst NIR-ljus. Baserat på principerna, forskarna bildade också en öppen elektrisk krets för att slå på/stänga av en smart klocka med hjälp av NIR-ljus.

För datakryptering, baserat på det programmerbara MXene-cellulosabläcket, Cai et al. konstruerade ett önskat mönster och förmedlade informationen genom lokal uppvärmning med hjälp av NIR-ljus eller el. Informationen var endast läsbar med IR och osynlig för det mänskliga ögat, ger bättre lämpad informationskryptering utöver maskinläsbara streckkoder och QR-koder. Möjligheten att integrera olika funktioner i ett system för att uppnå kamouflage, visning och aktivering är viktigt och användbart inom flera discipliner. Dessa enheter bekräftade möjligheten att använda MXCC/PC-membran för att tjäna flera funktioner i smarta mjuka system inklusive informationskryptering, kamouflage och termokänsligt beteende.

De nya kompositmaterialen, rationell design och lågkostnadstillverkning som introducerades i studien, tillsammans med syntetiska strategier som implementerats av forskarna, kommer att göra MXCC/PC-membransystemen tillgängliga för breda vetenskapliga och tekniska områden. På det här sättet, Guofa Cai och medarbetare utvecklade och etablerade en ny klass av multiresponsiva material och enheter med oöverträffad integration av flera egenskaper inspirerade av multifunktionella biologiska strukturer.

MXCC/PC-membransystemen efterliknade avgörande egenskaper hos ett naturligt blad från mikrostrukturen till fotosyntetisk förmåga, som inkluderade energiskörd och konvertering. Dubbelskiktsställdonen visade starka egenskaper, liknar toppmoderna multiresponsiva ställdon. De utforskade materialen och avancerade systemen kan vidareutvecklas för att etablera nya möjligheter för revolutionerande teknologier inom mjuk robotik, informationskryptering och IR dynamisk display.

© 2019 Science X Network