Um elastômero dielétrico nanocompósito unimorfo para atuação em grande escala

Ilustração do processo de concentração eletroforética para criar um filme UNDE. (A) BNNS dispersos em uma solução de monômero de elastômero dielétrico são atraídos para a superfície do eletrodo positivo através de um processo de concentração eletroforética. (B) Uma configuração para estudar a cinética do processo de concentração eletroforética:Uma fonte de luz e um fotodetector são colocados em lados opostos de uma câmara de cuvete onde ocorre a concentração eletroforética de BNNS. (C) Imagens em escala de cinza da câmara de cuvete tiradas pelo fotodetector no tempo decorrido especificado do processo eletroforético. O campo elétrico aplicado é constante de 4 MV/m. (D) Valor registrado em escala de cinza versus tempo eletroforético no campo elétrico especificado. O valor da escala de cinza é considerado como o valor médio ao longo da linha tracejada mostrada em (C). As setas numeradas indicam o tempo das imagens em (C). Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200

Os atuadores de elastômero dielétrico (DEAs) podem sofrer grandes deformações reversíveis no plano. Em um novo relatório agora publicado em Science Advances , Junhong Pu e uma equipe de cientistas em pesquisa de materiais macios e ciência de polímeros da Universidade da Califórnia, Los Angeles, EUA, e da Universidade de Sichuan, China, introduziram um processo eletroforético para concentrar a dispersão de nanofolhas de nitreto de boro em uma solução precursora de elastômero dielétrico em um superfície do eletrodo selecionada. A equipe obteve um elastômero dielétrico nanocompósito unimorfo abreviado UNDE com uma estrutura de bicamada sem costura contendo 13 vezes a diferença de módulo. A equipe poderia acionar a construção UNDE para grandes curvaturas de flexão com maior durabilidade em comparação com elastômeros dielétricos nanocompósitos convencionais. Eles organizaram várias unidades UNDE em um processo de concentração eletroforética simples usando áreas de eletrodos padronizadas; então, usando o atuador, eles desenvolveram um motor de lente de alta velocidade com distância focal variável para formar um sistema óptico de duas lentes.
Elastômeros dielétricos nanocompósitos unimorfos (UNDE)

Os elastômeros dielétricos são uma classe de polímeros eletroativos que podem transduzir energia eletromecânica por meio de um mecanismo de tensão eletrostática, em resposta a uma tensão aplicada. Os materiais são caracterizados por sua grande deformação e alta densidade de energia e têm atraído grande interesse na última década para aplicações como músculos artificiais e robótica macia. Os elastômeros acrílicos são de interesse devido à maior tensão de atuação que eles exibem e ao procedimento de pré-estiramento envolvido durante a fabricação. Os cientistas de materiais visam evitar o processo de pré-estiramento com elastômeros acrílicos, introduzindo uma segunda rede de polímeros interpenetrantes e modificação química para obter grandes deformações de atuação sem pré-estiramento. Neste trabalho, Pu et al. introduziu uma abordagem eletroforética seguida de reticulação in situ para fabricar um elastômero dielétrico nanocompósito unimorfo sem interface feito de nanofolhas de nitreto de boro localmente concentradas (BNNS). A equipe usou o processo eletroforético para produzir várias unidades unimorfos funcionais em um filme DEA monolítico em forma de disco por meio de padrões de eletrodos personalizados. Eles variaram a tensão de atuação com tensão aplicada sem degradação de materiais e o atuador compacto produziu grande atuação linear para uso como motor de lente de acionamento direto, para sistemas de zoom óptico.

Alcançar uma curvatura de 4,4 cm−1 em uma intensidade de campo de 28 MV/m, resultando em uma estrutura quase em malha fechada . Science Advances, 10.1126/sciadv.abm6200

Desenvolvimento e caracterização de um filme de elastômero dielétrico nanocompósito unimorfo (UNDE) por meio de concentração eletroforética

Pu et ai. desenvolveu os filmes UNDE (elastômero dielétrico nanocompósito Unimorph) com BNNS (nanofolhas de nitreto de boro) altamente concentrado em uma superfície por meio de eletroforese. As nanofolhas de nitreto de boro são comumente usadas como um enchimento dielétrico para aumentar a resistência dielétrica e podem ser dispersas em um elastômero dielétrico para formar uma suspensão coloidal. A equipe injetou a dispersão entre dois eletrodos paralelos com um campo de corrente contínua aplicado entre eles. Como o BNNS estava carregado negativamente, os materiais foram atraídos para a superfície do eletrodo positivo. A equipe curou o precursor através da exposição ultravioleta e formou uma estrutura de bicamada contínua. Eles visualizaram o processo usando um feixe de luz passado pela câmara da cuvete durante a eletroforese. Após desenvolver a estrutura UNDE, Pu et al. utilizou imagens de microscopia eletrônica de varredura para observar as características de elastômeros dielétricos nanocompósitos convencionais como material de controle, e o UNDE com 3% de BNNS em sua composição. A equipe observou curvaturas de flexão menores para o filme UNDE com BNNS concentrado na camada superior, em comparação com a camada inferior. O trabalho indicou maior rigidez para camadas concentradas em BNNS quando comparadas àquelas com concentrações empobrecidas. Os cientistas exploraram os materiais otimizados para obter atuação de ligação aplicando uma alta voltagem no filme UNDE. Após a aplicação de um campo elétrico, as duas camadas da construção sofreram deformações compressivas uniformes sob ciclos de flexão e recuperação.

Reformulando a cena invertida da flor ao prédio, para obter um aumento de 230% da distância focal de 9 para 30 mm, evidenciado por um ângulo de visão mais estreito e um maior grau de ampliação. Science Advances, 10.1126/sciadv.abm6200

Acionamento de atuadores UNDE (elastômero dielétrico nanocompósito unimorfo)

A equipe de pesquisa analisou a atuação de ligação de 3% em peso de UNDE, em forma de trapézio e observou como os atuadores de elastômero dielétrico funcionavam de maneira unidirecional em relação aos campos elétricos aplicados em sua espessura. Por exemplo, em uma intensidade de campo de 28 MV/m, a equipe obteve uma curvatura de ligação de 4,4 cm^-1 para criar uma estrutura quase em circuito fechado. Eles notaram a dependência específica da curvatura de ligação na intensidade do campo elétrico, onde UNDE com concentrações mais altas de nanofolhas de nitreto de boro exigia maior força de campo elétrico para alcançar a mesma curvatura de flexão, devido ao aumento da rigidez. A equipe ajustou os processos de atuação e recuperação com uma resposta exponencial e creditou a rápida resposta dos atuadores de elastômero dielétrico de flexão à conversão direta de energia de eletricidade em trabalho mecânico. A curvatura de encadernação indicou um trade-off entre grande curvatura de flexão e alta frequência de operação. A natureza livre de interface entre as nanofolhas passivas de nitreto de boro e a camada de elastômero dielétrico ativo ofereceu aos atuadores UNDE desempenho de ligação não destrutivo após dobramento de 180 graus.

Caracterização estrutural e mecanismo de flexão do filme UNDE. (A) Ilustração da seção transversal de um filme UNDE, com a camada concentrada de BNNS em sua superfície superior. (B) Imagens SEM da seção transversal de UNDE com 3% em peso de BNNS em duas ampliações diferentes. (C) Imagens ópticas de (i) vista superior do filme UNDE com 3% em peso de BNNS colocado em uma bancada e (ii) vista lateral do filme colado em uma extremidade com a camada concentrada de BNNS no topo e (iii) em fundo. (D) Módulo de Young e (E) Distribuição Weibull da força de campo de ruptura de um elastômero puro e CNDE e UNDE com diferentes teores de BNNS. (F) Atuação de flexão do filme UNDE em direção à superfície com BNNS concentrado em resposta à aplicação de tensão e recuperação à forma original quando a tensão é removida. (G) Imagens ópticas da vista lateral do UNDE a 3% em peso durante um ciclo de atuação (onda quadrada com campo elétrico de pico de 19 MV/m a 5 Hz). Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200

Aplicações dos atuadores de elastômero dielétrico

A equipe adotou o processo de fabricação UNDE para formar vários unimorfos individualmente acessíveis dentro de um filme monolítico. Pu et ai. usaram atuadores de elastômero dielétrico em forma de disco como uma lente motorizada independente para reposicionar diretamente um elemento óptico e alterar a distância focal de um sistema de lente zoom compacto e adaptável em uma ampla faixa. Usando o sistema de zoom de duas lentes, eles aumentaram a distância entre as duas lentes para diminuir a distância da distância focal do sistema e facilitar a projeção de objetos de distâncias de trabalho distantes para próximas, no mesmo plano. Comparado à tecnologia de lente líquida ajustável, o sistema de zoom óptico acionado por atuador linear alcançou maior capacidade de ajuste de distância focal, desejável para endoscópios, câmeras de smartphones, realidade virtual e visão de máquina.

Estrutura de um DEA linear em forma de disco e seu desempenho de atuação. (A) Uma ilustração de um processo de concentração eletroforética localizada e o filme monolítico em forma de disco fabricado com seis setores concentrados em BNNS alternadamente colocados nas superfícies superior e inferior; distribuição transversal de BNNS dentro da estrutura ao longo da linha tracejada (a-b-c) é mostrada na parte inferior. (B) Resultados da análise de elementos finitos sobre a atuação de um filme unimorfo e em forma de disco com seis unimorfos. (i) Um único unimorfo em forma de setor anular com BNNS concentrado na superfície superior curva-se para cima sob um campo elétrico aplicado. (ii) Um modelo simplificado do filme monolítico em forma de disco mostrado em (A), com BNNS concentrado alternadamente nas superfícies superior (t) e inferior (b). (iii) e (iv) mostram os movimentos do modelo simplificado para cima e para baixo através da aplicação de campos elétricos nas regiões t e b, respectivamente. (C) Um diagrama de princípio de funcionamento de um DEA linear em forma de disco. Ao aplicar separadamente uma tensão a diferentes seções do atuador, um curso bidirecional linear pode ser gerado na borda interna do atuador. (D) Traçado bidirecional plotado versus campo elétrico. (E) Força de bloqueio de um DEA linear em forma de disco gerado sob diferentes intensidades de campo elétrico. (F) Curso bidirecional sob atuação de onda quadrada em 1, 2, 5 e 10 Hz com um campo elétrico de pico de 19 MV/m. Vistas ampliadas de vários ciclos de atuação abaixo de 1 e 10 Hz são mostradas na parte inferior. (G) Curvatura normalizada de um DEA unimorfo de flexão e curso de um DEA linear em forma de disco consistindo de seis unidades unimorfo sob um campo elétrico de pico de 19 MV/m em diferentes frequências de atuação. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200

Um sistema de zoom óptico impulsionado pelo DEA linear em forma de disco (motor da lente). (A) Mecanismo de um sistema de zoom óptico composto por uma lente convexa (L1) e uma lente côncava (L2). A distância focal e a distância de trabalho do sistema mudam à medida que L1 se move de S para S'. (B) Imagens de dupla exposição mostrando uma lente convexa (CAW110, Ø6,28 mm, 0,05 g) acionada linearmente por um motor de lente aplicando um campo elétrico de 24 MV/m. A lente é montada no aro interno do motor por meio de uma fita de papel predefinida. (C) Distância do curso de um motor de lente sem e com a lente convexa montada no aro interno. Curso bidirecional sob atuação de onda quadrada em 1, 2, 5 e 10 Hz com campo elétrico de pico de 24 MV/m. (D) À esquerda, imagens fotográficas mostrando o sistema de zoom e objetos em diferentes distâncias; à direita, imagens fotográficas capturadas pelo sistema de zoom óptico em duas distâncias focais diferentes. (E) Variação da distância focal em função da distância inicial entre as duas lentes e do campo elétrico aplicado. Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6200

Perspectivas

Desta forma, Junhong Pu e colegas desenvolveram um novo método para implementar configurações unimorfo em um filme de elastômero dielétrico monolítico por meio de eletroforese. O método facilitou a concentração de nanofolhas de nitreto de boro (BNNS) em monômeros para formar um elastômero dielétrico unimorfo sem interface (UNDE). A equipe criou várias unidades UNDE durante o estudo, designando concentrações de BNNS para áreas de superfície. Os atuadores de elastômeros dielétricos lineares resultantes podem ser otimizados como materiais promissores para visão robótica artificial devido à sua natureza personalizável e escalável. + Explorar mais