Nieuwe fabricagestrategie verbetert de gevoeligheid en duurzaamheid van grafeen-aerogel voor mens-machine-interfaces

De afgelopen jaren hebben onderzoekers verschillende nieuwe materialen gesynthetiseerd die kunnen worden gebruikt om geavanceerdere robotsystemen, apparaten en mens-machine-interfaces te ontwikkelen. Deze materialen omvatten grafeen-aerogels, ultralichte, poreuze en op grafeen gebaseerde materialen die bestaan ​​uit een enkele laag koolstofatomen gerangschikt in een 2D-honingraatrooster.

Hoewel grafeen-aerogels talloze gunstige eigenschappen hebben, waaronder een minimaal gewicht, hoge porositeit en goede elektrische geleiding, zijn ingenieurs die ze probeerden te gebruiken om druksensoren te ontwikkelen, op enkele problemen gestuit. Concreet hebben veel van deze materialen een intrinsiek stijve microstructuur, die beperkingen stelt aan hun rekdetectievermogen.

Onderzoekers van de Xi’an Jiaotong University, Northumbria University (VK), UCLA, University of Alberta en andere instituten hebben onlangs een nieuwe fabricagestrategie geïntroduceerd voor het synthetiseren van aerogel-metamaterialen om deze beperking te overwinnen. Deze strategie, uiteengezet in een papier in Nanolettersfabriceert een duurzaam op grafeenoxide gebaseerd aerogel-metamateriaal dat een opmerkelijke gevoeligheid voor menselijke aanraking en beweging vertoont.

“Het onderzoek werd puur gedreven door de nieuwsgierigheid van mijn student, waarbij hij af en toe een abnormale structuurverandering in de dwarsdoorsnede van een bepaald vlak opmerkte”, vertelde Dr. Ben Xu, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. “Deze anisotrope faseverandering trok belangstelling. Al snel realiseerden we ons dat de bijbehorende functieverandering een prachtige directionele drukdetectiefunctie mogelijk zou kunnen maken.”

De strategie van het team voor het vervaardigen van op grafeenoxide gebaseerde metamaterialen omvat twee belangrijke stappen. Deze omvatten het gebruik van een dehydratatietechniek die bekend staat als vriesdrogen en een warmtebehandelingsproces dat bekend staat als gloeien.

“De vooroplossing bevat ook een specifieke chemische stof die fungeert als grafeen-‘lijm’ om de dwarsdoorsnede van het honingraattype te construeren”, legt Dr. Xu uit. “De structuurconfiguratie van de dwarsdoorsnede op het speciale vlak wordt gerealiseerd door thermisch uitgloeien, dat kan worden afgestemd door micro-/nano-mechanica. Met behulp van deze eenvoudige strategie werd bij de eerste proef de geknikte dwarsdoorsnede bereikt.”

Met behulp van hun voorgestelde fabricagestrategie synthetiseerden Dr. Xu en zijn collega’s een anisotroop verknoopt chitosan en gereduceerd grafeenoxide (CCS-rGO) aerogel-metamateriaal. Dit materiaal bleek een opmerkelijke directionele hyperelasticiteit, buitengewone duurzaamheid, geweldige mechanische en elektrische prestaties, een groot detectiebereik en een zeer hoge gevoeligheid voor stimuli van 121,45 kPa te vertonen.^-1.

“We voeren nu multidisciplinair onderzoek uit met uiteenlopende belangen in functionele materialen en energietechnologie, duurzame engineering, materialen voor de gezondheidszorg, materiaalchemie, responsieve materialen/oppervlakken en micro-engineering”, aldus Dr. Xu.

Het team van Dr. Xu aan de Northumbria University voert nu verdere onderzoeken uit gericht op de ontwikkeling van veelbelovende metamaterialen voor verschillende technologische toepassingen. In de toekomst zou hun voorgestelde fabricagestrategie kunnen bijdragen aan de synthese van aanvullende op grafeenoxide gebaseerde aerogel-metamaterialen, die mens-machine-interfaces voor geavanceerde gezondheidszorg en prothetische apparaten zouden kunnen bevorderen.

Een ander ontwikkelingsspoor voor dergelijke sensoren ligt op het gebied van windenergie.

“We hebben ons de laatste tijd veel geconcentreerd op de functionele materialen en engineeringtechnologie voor de offshore windenergiesector”, voegde Dr. Xu toe. “We kijken er ook naar uit om ons materiaal-/sensoronderzoek toe te passen in de nieuw toegekende EU COST Action CA23155, om de nieuwe oceaantribologie te bevorderen. Dit project richt zich op offshore windenergie, die bijdraagt ​​aan de mondiale doelstelling van netto nul en duurzaamheid.”