Onderzoekers gebruiken organische halfgeleider nanobuisjes om nieuwe elektrochemische actuator te maken

Onderzoekers van de Universiteit van Houston melden een doorbraak op het gebied van materiaalwetenschap en techniek met de ontwikkeling van een elektrochemische actuator die gebruik maakt van gespecialiseerde organische halfgeleider nanobuisjes (OSNT’s).

De actuator bevindt zich momenteel in een vroeg ontwikkelingsstadium en zal een belangrijk onderdeel worden van het onderzoek dat bijdraagt ​​aan de toekomst van robot-, bio-elektronische en biomedische wetenschap.

“Elektrochemische apparaten die elektrische energie omzetten in mechanische energie kunnen worden gebruikt in tal van toepassingen, variërend van zachte robotica en micropompen tot autofocusmicrolenzen en bio-elektronica”, zegt Mohammad Reza Abidian, universitair hoofddocent biomedische technologie aan het UH Cullen College of Engineering. Hij is de corresponderende auteur van het artikel “Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices”, gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen, waarin de ontdekking wordt beschreven.

Aanzienlijke beweging (die wetenschappers definiëren als activering en meten als vervormingsspanning) en snelle responstijd zijn ongrijpbare doelen, vooral voor elektrochemische actuatoren die in vloeistof werken. Dit komt omdat de weerstandskracht van een vloeistof de beweging van een actuator beperkt en het ionentransport en de accumulatie in elektrodematerialen en -structuren beperkt. In het laboratorium van Abidian verfijnden hij en zijn team methoden om die twee struikelblokken te omzeilen.

“Ons elektrochemisch apparaat met organische halfgeleider nanobuisjes vertoont hoge activeringsprestaties met snel ionentransport en -accumulatie en afstembare dynamiek in vloeibare en gel-polymeerelektrolyten. Dit apparaat vertoont uitstekende prestaties, waaronder een laag stroomverbruik / spanning, een grote vervorming, snelle respons en uitstekende stabiliteit van de bediening,” zei Abidian.

Deze uitstekende prestatie, legde hij uit, komt voort uit het enorme effectieve oppervlak van de nanotubulaire structuur. Het grotere oppervlak vergemakkelijkt het transport en de accumulatie van ionen, wat resulteert in een hoge elektroactiviteit en duurzaamheid.

“De lage stroomverbruik/spanningswaarden voor deze OSNT-actuator, zelfs wanneer deze in vloeibare elektrolyt werkt, markeren een diepgaande verbetering ten opzichte van eerder gerapporteerde elektrochemische actuatoren die in vloeistof en lucht werken,” zei Abidian. “We hebben de stabiliteit op lange termijn geëvalueerd. Deze organische halfgeleider nanobuis-actuator vertoonde superieure stabiliteit op lange termijn in vergelijking met eerder gerapporteerde op geconjugeerde polymeer gebaseerde actuatoren die in vloeibare elektrolyt werken.”

Abidian bij het project waren Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan en Sheereen Majd, allemaal van de afdeling Biomedische Technologie van het UH Cullen College of Engineering.

De gebruikte organische halfgeleiders, geconjugeerde polymeren genoemd, werden in de jaren zeventig ontdekt door drie wetenschappers – Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid en Hideki Shirakawa – die in 2000 een Nobelprijs won voor de ontdekking en ontwikkeling van geconjugeerde polymeren.

Om een ​​nieuw type actuator de status-quo te laten overtreffen, moet het eindproduct niet alleen zeer effectief blijken te zijn (in dit geval in zowel vloeibare als gelpolymeerelektrolyt), maar ook dat het lang meegaat.

“Om mogelijke toepassingen te demonstreren, hebben we een verplaatsbare neurale sonde op micronschaal ontworpen en ontwikkeld die is gebaseerd op OSNT-microactuators. Deze microsonde kan mogelijk worden geïmplanteerd in de hersenen, waar neurale signaalopnames die nadelig worden beïnvloed, door beschadigd weefsel of verplaatsing van neuronen, kunnen worden verbeterd door de positie van de beweegbare microcantilevers aan te passen,” zei Abidian.

De volgende stap zijn dierproeven, die binnenkort worden uitgevoerd aan de Columbia University. De eerste resultaten worden tegen eind 2021 verwacht, waarna tests op langere termijn zullen volgen.

“Gezien de resultaten tot nu toe, verwachten we dat deze nieuwe op OSNT gebaseerde elektrochemische apparaten de volgende generatie zachte robotica, kunstmatige spieren, bio-elektronica en biomedische apparaten zullen helpen bevorderen,” zei Abidian.