Forskare från University of Houston rapporterar om ett genombrott inom materialvetenskap och ingenjörskonst med utvecklingen av ett elektrokemiskt manöverdon som använder specialiserade organiska halvledarnanorör (OSNT).

För närvarande i de tidiga utvecklingsstadierna, ställdonet kommer att bli en viktig del av forskning som bidrar till framtidens robotteknik, bioelektronisk och biomedicinsk vetenskap.

"Elektrokemiska enheter som omvandlar elektrisk energi till mekanisk energi har potentiell användning i många applikationer, allt från mjuk robotik och mikropumpar till autofokusmikrolinser och bioelektronik, " sa Mohammad Reza Abidian, docent i biomedicinsk teknik vid UH Cullen College of Engineering. Han är motsvarande författare till artikeln "Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices, " publicerad i tidskriften Avancerade funktionella material, som beskriver upptäckten.

Betydande rörelser (som forskare definierar som aktivering och mätning som deformationspåkänning) och snabb responstid har varit svårfångade mål, speciellt för elektrokemiska manöverdon som arbetar i vätska. Detta beror på att en vätskas dragkraft begränsar ett manöverdons rörelse och begränsar jontransport och ackumulering i elektrodmaterial och strukturer. I Abidians labb, han och hans team förfinade metoderna för att kringgå dessa två stötestenar.

"Vår elektrokemiska anordning för organiska halvledarnanorör uppvisar hög aktiveringsprestanda med snabb jontransport och ackumulering och avstämbar dynamik i vätske- och gelpolymerelektrolyter. Denna anordning visar en utmärkt prestanda, inklusive låg strömförbrukning/belastning, en stor deformation, snabb respons och utmärkt manövreringsstabilitet, " sa Abidian.

Denna enastående prestation, han förklarade, härrör från den enorma effektiva ytan av den nanorörformiga strukturen. Den större ytan underlättar jontransport och ackumulering, vilket resulterar i hög elektroaktivitet och hållbarhet.

"Den låga strömförbrukningen/töjningsvärdena för detta OSNT-ställdon, även när den fungerar i flytande elektrolyt, markera en djupgående förbättring jämfört med tidigare rapporterade elektrokemiska ställdon som arbetar i vätska och luft, ", sade Abidian. "Vi utvärderade långsiktig stabilitet. Detta organiska halvledar-nanorörsställdon uppvisade överlägsen långtidsstabilitet jämfört med tidigare rapporterade konjugerade polymerbaserade ställdon som arbetar i flytande elektrolyt."

Mohammadjavad Eslamian gick med i Abidian i projektet, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan och Sheereen Majd, alla från institutionen för biomedicinsk teknik vid UH Cullen College of Engineering.

De organiska halvledare som används, kallas konjugerade polymerer, upptäcktes på 1970-talet av tre vetenskapsmän – Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid och Hideki Shirakawa - som vann ett Nobelpris 2000 för upptäckten och utvecklingen av konjugerade polymerer.

För att en ny typ av ställdon ska överglänsa status quo, slutprodukten måste visa sig inte bara vara mycket effektiv (i detta fall, i både flytande och gelpolymerelektrolyt), men också att det kan hålla.

"För att visa potentiella tillämpningar, vi designade och utvecklade en rörlig neural sond i mikronskala som är baserad på OSNT-mikroaktuatorer. Denna mikrosond kan potentiellt implanteras i hjärnan, där neurala signalinspelningar som påverkas negativt, genom antingen skadad vävnad eller förskjutning av neuroner, kan förbättras genom att justera läget för de rörliga mikrokonsolerna, sa Abidian.

Nästa steg är djurförsök, som snart kommer att genomföras vid Columbia University. Tidiga resultat förväntas i slutet av 2021, med långsiktiga tester att följa.

"Med tanke på prestationerna hittills, vi förväntar oss att dessa nya OSNT-baserade elektrokemiska enheter kommer att bidra till att främja nästa generation av mjuk robotik, konstgjorda muskler, bioelektronik och biomedicinska apparater, " sa Abidian.