Frånvaron av piezoelektricitet i kisel kan leda till direkta elektromekaniska tillämpningar av det vanliga halvledarmaterialet. Den integrerade elektriska styrningen av kiselmekanik kan öppna nya perspektiv för on-chip ställdon. I en ny rapport, Manuel Brinker och ett forskarteam i fysik, material, mikroskopi och hybrid nanostrukturer i Tyskland, kombinerad nanoporositet i wafer-skala i enkelkristallint kisel för att syntetisera en komposit som visar makroskopisk elektropåkänning i vattenhaltiga elektrolyter. Spännings-töjningskopplingen var tre storleksordningar större än den bäst presterande keramen. Brinker et al. spårade elektroaktiveringen till den samordnade åtgärden av ett tvärsnitt på 100 miljarder nanoporer per kvadratcentimeter och erhöll exceptionellt små driftspänningar (0,4 till 0,9 volt) tillsammans med hållbara och biokompatibla basmaterial för biohybridmaterial med lovande bioaktuatortillämpningar. Verket är nu publicerat på Vetenskapens framsteg .

Utveckling av polymerer med inbäddad elektrokemisk aktivering

Elektrokemiska förändringar som inträffar under oxidationen av den ledande polymeren polypyrrol (PPy) kan öka eller minska antalet delokaliserade förändringar i polymerens ryggrad. När nedsänkt i en elektrolyt, materialet åtföljs av reversibelt motjonupptag eller utdrivning med makroskopisk kontraktion samt svullnad under elektrisk potentialkontroll för att göra PPy till ett av de vanligaste materialen för att utveckla konstgjorda muskelmaterial. I det här arbetet, Brinker et al. kombinerade ställdonets polymer med en tredimensionell (3-D) ställningsstruktur av nanoporöst kisel för att designa ett material för inbäddad elektrokemisk aktivering. Den nya konstruktionen innehöll några lätta och rikliga elementära beståndsdelar inklusive väte (H), kol (C), kväve (N), syre (O), kisel (Si) och klor (Cl).

Under experimentet, teamet förberedde det porösa kiselmembranet (pSi) med hjälp av en elektrokemisk etsningsprocess av dopat kisel i fluorvätesyra. De resulterande porerna var raka och vinkelräta på kiselytan. Använda svepelektronmikroskopiprofiler, Brinker et al. observerade en homogen provtjocklek. De fyllde sedan det porösa kiselmembranet (pSi) med polypyrrol (PPy) genom elektropolymerisation av pyrrolmonomerer. Polymerkärnbildning och partiell oxidation av pSi ökade den öppna kretspotentialen, vilket ledde till en konstant avsättning av PPy inuti porerna. De mycket asymmetriska porerna bildade en kedjeliknande polymertillväxt som hämmade förgrening av polymeren och ledde till lägre elektriskt motstånd. Teamet observerade den resulterande kompositen med hjälp av transmissionselektronmikrofotografier (TEM) med energidispersiva röntgenspektroskopisignaler (EDX) för att indikera homogen PPy-fyllning av den slumpmässiga pSi-bikakestrukturen.

För att karakterisera funktionen hos det resulterande hybridmaterialet, Brinker et al. utförda dilatometrimätningar; en termoanalytisk metod för att mäta krympning eller expansion av material, i en in situ elektrokemisk uppställning. De nedsänkte provet i perklorsyra och placerade det så att porerna pekade i horisontell riktning. Teamet placerade sedan kvartssonden på dilatometern ovanpå provet för att mäta dess längd, varefter de satte upp provet i kontakt med perklorsyra för att utföra elektrokemiska aktiveringsexperiment. Brinker et al. mätte hybridsystemets elektrokemiska egenskaper före och under dilatometrimätningar genom att registrera cykliska voltammogram (CV) i potentialområdet från 0,4 V till 0,9 V. pSi-PPy-membranet uppvisade kapacitiv laddningskarakteristik för PPy, där strömmen snabbt rörde sig mot ett konstant värde. De applicerade inte en högre spänning, förhindrar överoxidation eller partiell förstörelse av polymeren. Forskargruppen registrerade provlängdsförändringen, för detaljerad karakterisering av elektrokemisk aktivering under inspelning av CV (cykliska voltammogram).

Steg-coulometri

Brinker et al. utförde sedan steg-coulometri för att analysera aktiveringskinetiken och mängden materia som omvandlas under en elektrolysreaktion genom att mäta mängden elektricitet som förbrukas eller produceras i uppställningen. Töjningsresponsen för experimentuppställningen var snabbare än laddnings- och urladdningsprocessen med nästan en storleksordning. Två effekter kan ha bidragit till observationen. Först, under experimentet, polypyrrolen (PPy) kan ha nått sin flytgräns för att orsaka plastisk deformation. Hela provet kommer inte att utökas ytterligare, trots införandet av motjoner i polymeren såsom noterats genom mikromekanisk analys. Andra, diffusionsbegränsningarna kan ha hindrat den snabbare överföringen av anjoner till PPy, en kinetisk begränsning som stöds av simuleringar av molekylär dynamik. Forskarna modellerade också de mikromekaniska egenskaperna hos mikrostrukturen extraherad från elektronmikrofotografiet av samma materialområde för att förstå mekanismen för elektroaktivering av det PPy-fyllda pSi-membranet. De mätte den makroskopiska Youngs modul för materialet för det tomma PPy och PPy-fyllda med pSi-membranet för att visa hur strukturen av pSi-nätverket dominerade materialets makroskopiska styvhet.

Förbättrad funktionalitet hos biohybridsystemet

Internt mekaniskt svälltryck i det vattenhaltiga elektrolyt/PPy (polypyrrol)-systemet bidrog till förflyttningen av motjoner in i porutrymmet på grund av den elektriska potentialen som applicerades på hela det porösa mediet. I motsats till piezoelektriska material, potentialen som användes i detta arbete för att få exceptionell aktivering med de biokompatibla hybridmaterialen var betydligt lägre, bevisar förbättrad funktionalitet hos hybridsystemet. På det här sättet, Manuel Brinker and colleagues integrated large electrochemical actuation into a mainstream semiconductor alongside functional integration of porous silicon (pSi) to establish versatile and sustainable pathways for electrochemical energy storage and other applications in aqueous electrolytic media. This work expanded on previous approaches on combining classic piezoelectric actuator materials, dock, in contrast to high-performance piezoelectric ceramics, the team did not integrate any heavy metals such as lead (Pb) for functionality. The materials used in this work are biocompatible and biodegradable, alongside exceptionally small functional voltages suited for biomedical functions of actuation. From a materials science perspective, the research showed how self-organized porosity in solids could be functionalized to design robust, 3-D mechanical materials to integrate nanocomposites within macroscale devices.

© 2020 Science X Network