《AFM》：用于电化学装置的有机半导体纳米管！低功耗、快速响应、稳定

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离子在生物体的生命中起着关键作用，特别是对于收缩细胞产生肌肉变形和/或运动所必需的神经信号转导。受生物肌肉功能的启发，有关离子移入/移出电极(例如，离子聚合物-金属复合材料)的人工肌肉在仿生技术中得到了极大的关注。软离子致动器，也被称为电化学致动器，通过可逆插层和去插层在外加电压(低于1V和高达几伏)的情况下产生致动变形。这类致动器在软机器人、人造肌肉、自动聚焦透镜和生物医学设备中的各种应用已被广泛研究。通过电化学过程将电能转化为机械能的电化学装置有许多应用，从机器人和微泵到微透镜和生物电子学。到目前为止，大变形应变和快速响应的实现仍然是电化学驱动器的挑战，其中阻力限制了器件的运动，电极材料/结构限制了离子的传输。

来自休斯顿大学的学者报道了由有机半导体(OSNTs)制成的电化学致动器、电化学传质和电化学动力学的研究结果。OSNTs器件表现出高性能，在液体和凝胶聚合物电解质中具有快速的离子传输和积累。该器件具有低功耗/低应变、大变形、快速响应和良好的驱动稳定性等优异性能。这种优异的性能源于纳米管巨大的有效表面积，它促进了离子的传输和积累，从而产生了高的电活性和耐久性。通过对变质量系统的运动和质量输运的实验研究和理论分析，建立了该装置的动力学模型，并引入了OSNTs的Euler-Bernoulli方程的修正形式。最终，展示了一种由多个微执行器组成的最先进的小型化装置，可用于潜在的生物医学应用。这项工作为下一代执行器提供了新的机会，这些执行器可以用于人造肌肉和生物医学设备。相关文章以“Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices”标题发表在Advanced Functional Materials。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202105358

图1| OSNTs器件的制作与表征。A)示意图说明了执行器的分层设计。B)OSNTs致动器的分步制造工艺

图2.循环伏安法对OSNTs器件的电化学驱动。A)示意图表示氧化还原过程中激活OSNTs时的离子传输和由此产生的弯曲运动。B，C)复合光学显微照片，显示了OSNTs致动器在液体和凝胶电解质中以10 mV s^-1的扫描速率循环伏安一个完整循环的可逆弯曲变形。D，E)循环伏安图，F，G)质量通量，以及H，I)在含0.1M NaPSS的液体和凝胶电解质中，在10 mV s^-1(蓝色正方形)，50 mV s^-1(绿色圆圈)，100 mV s^-1(红色向上三角形)和200 mV s^-1(黑色向下三角形)的不同扫描速率下，OSNTs致动器的尖端位移随电位的变化而变化。

图3.OSNTs器件在不同CV扫描速率下的电化学-机械响应。A，B)复合照片显示在A)液体和B)凝胶电解质中，以10、50、100和200 mV s^-1的不同扫描速率进行CV循环时，尖端的最大偏转发生在A)液体和B)凝胶电解质中。C-I)在液体(黑色)和凝胶(红色)电解质中循环时OSNTs致动器响应随扫描速率的变化，包括：C)质量流入，D)电荷存储密度，E)最大位移，F)最大应变，G)最大速度，H)响应时间，以及I)致动力(±SEM，n=5)。J)液体和K)凝胶电解质在10 mV s^-1(蓝色正方形)、50 mV s^-1(绿色圆圈)、100 mV s^-1(红色向上三角形)和200 mV s^-1(黑色向下三角形)不同扫描速率下的驱动力-位移曲线。

图4.高性能OSNTs器件的长期评估。A)与不同类型的软电化学驱动器相比，OSNTs驱动器的功耗/应变百分比。B)在200 mV s^-1(连续工作25h)下，超过15000次激励的OSNTs驱动器的弯曲稳定性(δ/δ₀)。在200 mV s^-1的扫描速率下，扫描1000次，C)驱动前和D)驱动后的扫描电镜照片。E、F)在200 mV s^-1的扫描速率下致动1000次后致动器横截面的光学显微照片。

综上所述，本研究提出了一种新的、通用的设计和开发电化学装置的方法，它以OSNTs为主要成分，能够在液体和凝胶聚合物电解质中工作。该器件具有低功耗/应变、大变形、快速离子传输/积累、动力学可调和良好的驱动稳定性等优异的电化学特性。这种高性能归因于OSNTs巨大的比表面积、大的离子交换和积累、低的弹性模量、高的电荷存储密度和大的比电容。通过利用这些令人印象深刻的特点，本文设计并制造了一种由多个基于OSNTs的微执行器组成的小型化移动装置，这些微执行器可以同时单独控制。通过对变质量物体系统的运动和质量输运的实验研究和理论分析，建立了OSNTs驱动器的动力学模型，并引入了一种修正形式的欧拉-伯努利挠度方程用于OSNTs驱动器。可以配制各种化学衍生和功能化的有机半导体，以进一步提高该器件的电化学-机械性能，超越电化学性能。考虑到这些成就以及OSNTs和OSNFs的广泛应用，本文预计基于OSNTs的电化学设备将被用于软机器人、人造肌肉、生物电子和生物医学设备领域的下一代执行器的发展。（文：SSC）