Durante a fotossíntese, folhas naturais com arquiteturas elaboradas e componentes funcionais podem colher e converter a energia solar em combustíveis químicos que são convertidos em energia. A produção de energia biológica forneceu aos cientistas de materiais um novo paradigma bioinspirado para produzir muitos sistemas autônomos, incluindo movimento disparado por luz. Em um relatório recente, Guofo Cai e colaboradores dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais, Ciência Astronáutica e Mecânica, e Engenharia Química, desenvolveu uma base de atuador de duas camadas sem precedentes em MXene (Ti ₃ C ₂ T _x ) compósitos de celulose (MXCC) e membranas de policarbonato (PC).

O dispositivo imitou a arquitetura sofisticada de uma folha e mostrou recursos de coleta e conversão de energia semelhantes à fotossíntese. O atuador de duas camadas continha características altamente desejáveis, incluindo; capacidade de resposta múltipla, atuação de baixa potência, velocidade de atuação rápida, deformação de forma grande, estabilidade robusta e adaptabilidade programável - bem adequado para sistemas inteligentes modernos baseados em atuadores macios. Cai et al. acreditam que esses sistemas soft adaptativos serão atraentes como tecnologias revolucionárias para construir robôs soft, interruptores inteligentes, para criptografia de informações, display dinâmico infravermelho, camuflagem e regulação da temperatura. Eles imaginam usos adicionais da tecnologia para desenvolver interfaces homem-máquina, como hápticos. O estudo agora está publicado em Avanços da Ciência .

Cientistas de materiais estudaram materiais e dispositivos que mudam de forma dinamicamente, tamanho e propriedades elétricas / mecânicas em resposta a estímulos externos para uma variedade de aplicações. Esses dispositivos têm funções importantes como atuadores, músculos artificiais, na robótica, como geradores de energia, sensores e cortinas inteligentes. Os cientistas têm dedicado esforços substanciais para desenvolver atuadores inteligentes com base em uma variedade de materiais ativos, como nanotubos de carbono e grafeno, polímeros com memória de forma, géis, polímeros conjugados e elastômeros de cristal líquido, bem como cerâmicas e ligas.

Uma variedade de estímulos ambientais, como umidade, temperatura, eletricidade, a luz e o pH podem desencadear alterações físicas desses materiais. Mas atualmente é difícil aumentar a velocidade de atuação e aumentar a escala das mudanças de forma devido à fraca instabilidade mecânica e térmica que restringe suas capacidades. Construir um atuador inteligente que responde a diversos estímulos, como umidade, eletricidade, calor ou luz com atuação rápida, deformação de forma grande, adaptabilidade programável e estabilidade robusta são, portanto, altamente desejáveis. Para construir novas e aprimoradas propriedades de materiais, os cientistas de materiais devem, portanto, explorar materiais combinatórios anteriormente não identificados e projetar configurações de dispositivos de forma racional para inventar atuadores de alto desempenho.

MXene (Ti ₃ C ₂ T _x ) utilizado no presente trabalho pertence a uma nova família de líquido-cristalino, carbonetos de metal bidimensionais (2-D) com excelente condutividade elétrica, condutividade térmica e conversão fototérmica para formar atuadores multiresponsivos e potencialmente de alto desempenho. Atualmente, existe apenas um único exemplo do uso de MXene como atuador eletroquímico. No presente trabalho, Portanto, Cai et al. com o objetivo de usar MXene como um atuador macio multiresponsivo para explorar as folhas inspiradas, arquitetura sofisticada para atuação simples, juntamente com componentes funcionais sinérgicos.

Inspirado na arquitetura biológica e no mecanismo fotossintético de uma folha natural, Cai et al. projetou uma assimétrica, atuador macio de duas camadas usando cristal único, Nanofolhas 2-D MXene para coletar energia elétrica ou luminosa para conversão em energia térmica. Por esta, eles usaram biocompatível, nanofibras de celulose para formar o esqueleto da veia para mudanças rápidas de formato de folha ao lado de membranas de filtro de policarbonato (PC) para formar os estômatos e a epiderme para inserção e extração de água de ou para os compósitos de celulose MXene (MXCC). Os cientistas confirmaram o aumento da absorção de água no MXCC devido à presença de celulose usando espectros de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR). Usando padrões de difração de elétrons de área selecionada (SAED), eles detectaram a presença de MXene como estrutura hexagonal e cristalinidade única sem defeitos em escala nanométrica.

O atuador macio manteve uma forma plana e sem rugas sob condições ambientais com umidade relativa, enquanto dobra em resposta ao aumento / diminuição da umidade no ambiente, qual Cai et al. analisados ​​quantitativamente. Eles observaram excelente desempenho do atuador e ângulos de curvatura controláveis ​​em uma variedade de níveis de umidade. Em seguida, os cientistas investigaram a atuação elétrica do dispositivo conectando uma tira de celulose MXene a dois fios de cobre. O ângulo de curvatura diminuiu quase linearmente com o aumento da energia elétrica, enquanto o atuador suave exigia apenas uma baixa tensão para atingir uma atuação extrema. Em comparação com a atuação baseada em umidade, os cientistas alcançaram ângulos de curvatura maiores com atuação eletrotérmica.

Os cientistas também registraram a variação de temperatura e ângulos de ligação de atuadores suaves usando irradiação de luz infravermelha (NIR). Eles observaram notável movimento de atuação sinérgica do material composto de MXene / celulose, em contraste com o fraco desempenho de atuação dos componentes individuais. Com base na absorção óptica observada, conversão fototérmica e atuação eletroquímica, Cai et al antecipam o uso desses atuadores macios inteligentes compostos em funções foto-responsivas.

Cai et al. investigou ainda as forças mecânicas fotoinduzidas do material sob irradiação de luz NIR em um analisador mecânico. O processo de acionamento do MXCC / PC foi rápido e reversível. Os cientistas estudaram as mudanças estruturais dos atuadores MXCC / PC e MXene / PC sob diferentes intensidades de iluminação usando medições de difração de raios-X (XRD) para mostrar o caráter amorfo da celulose e da membrana do PC. Eles investigaram o comportamento mecânico usando métodos de modelagem de elementos finitos (FEM) para entender melhor o processo de atuação do material composto. Os resultados da modelagem concordaram com os resultados experimentais do estudo.

Para demonstrar o comportamento de atuação programável, os cientistas desenvolveram uma série de configurações sofisticadas. Incluindo um atuador em forma de U dobrável duplo, atuador em forma de arco trifólio e flor autoflorescente onde as pétalas abriam e desabrochavam antes da irradiação NIR para fechar rapidamente na exposição a NIR. Adicionalmente, os cientistas exploraram uma variedade de dispositivos inteligentes, como robôs semelhantes a vermes, interruptores inteligentes, um dispositivo de criptografia, bem como exibição dinâmica IR e camuflagem para estender o conceito principal. Além disso, Cai et al. construiu um switch inteligente padronizando o MXCC em forma de cruz na membrana do PC, que eles controlavam usando luz NIR sem fio. Com base nos princípios, os cientistas também formaram um circuito elétrico aberto para ligar / desligar um relógio inteligente usando a luz NIR.

Para criptografia de dados, com base na tinta MXene-celulose programável, Cai et al. projetou um padrão desejado e transmitiu a informação por aquecimento local usando luz NIR ou eletricidade. As informações só podiam ser lidas por infravermelho e invisíveis ao olho humano, fornecendo criptografia de informações mais adequada, além de códigos de barras legíveis por máquina e códigos QR. A capacidade de integrar diversas funcionalidades em um sistema para conseguir camuflagem, a exibição e a atuação são importantes e úteis em várias disciplinas. Esses dispositivos confirmaram a possibilidade de usar membranas MXCC / PC para servir a várias funções em sistemas soft inteligentes, incluindo criptografia de informações, camuflagem e comportamento termo-responsivo.

Os novos materiais compósitos, projeto racional e fabricação de baixo custo introduzidos no estudo, ao lado de estratégias sintéticas implementadas pelos cientistas, tornará os sistemas de membrana MXCC / PC acessíveis para amplos campos científicos e de engenharia. Desta maneira, Guofa Cai e colegas de trabalho desenvolveram e estabeleceram uma nova classe de materiais e dispositivos multiresponsivos com integração sem precedentes de múltiplas propriedades inspiradas em estruturas biológicas multifuncionais.

Os sistemas de membrana MXCC / PC imitaram características cruciais de uma folha natural, desde a microestrutura até as capacidades fotossintéticas, que incluiu a coleta de energia e conversão. Os atuadores de bicamada mostraram características fortes, semelhantes aos atuadores multiresponsivos de última geração. Os materiais explorados e os sistemas avançados podem ser desenvolvidos para estabelecer novas possibilidades para tecnologias revolucionárias nos campos da robótica leve, criptografia de informações e exibição dinâmica de infravermelho.

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