研究人员使用有机半导体纳米管创建新的电化学驱动器

诸平

Depiction of the application of organic semiconductor nanotubes in artificial muscle. Artwork courtesy of Mohammad Reza Abidian. Credit: Mohammad Reza Abidian

据美国休斯顿大学（University of Houston简称UH）2021年9月3日提供的消息，休斯顿大学(UH)的研究人员报告了材料科学和工程领域的突破，开发了使用专用有机半导体纳米管 (organic semiconductor nanotubes简称OSNT) 的电化学驱动器。上述图片就是有机半导体纳米管（OSNT）在人造肌肉中的应用描述。该艺术品由穆罕默德·雷扎·阿比甸(Mohammad Reza Abidian)友情提供。相关研究结果于2021年7月30日已经在《高级功能材料》（Advanced Functional Materials）杂志网站发表——Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan, Sheereen Majd, Mohammad Reza Abidian. Organic Semiconductor Nanotubes for Electrochemical Devices, Advanced Functional Materials (2021). DOI: 10.1002/adfm.202105358. First published: 30 July 2021. https://doi.org/10.1002/adfm.202105358

目前驱动器还处于发展的早期阶段，它将成为未来机器人、生物电子和生物医学(biomedical science)科学研究的重要组成部分。UH卡伦工程学院（UH Cullen College of Engineering）生物医学工程副教授、上述论文的通讯作者穆罕默德·雷扎·阿比甸说：“将电能（electrical energy）转化为机械能的电化学装置在许多领域都有潜在的用途，从柔性机器人（soft robotics）、微泵（micropumps）到自动聚焦微透镜（autofocus microlenses）和生物电子学（bioelectronics）。”

显著的运动(科学家定义为驱动，测量为变形应变)和快速响应时间一直是难以实现的目标，特别是对于在液体中操作的电化学驱动器设备。这是因为液体的拖曳力限制了驱动器的运动，限制了离子在电极材料和结构中的传输和积累。

在穆罕默德·雷扎·阿比甸的实验室里，他和他的团队改进了如何避免这两个绊脚石。穆罕默德·雷扎·阿比甸说：“我们的有机半导体纳米管终端的电化学表现出高操作性能，具有快速的离子传输和积累，以及在液体和凝胶聚合物电解质中可调节的动力学。该器件具有出色的性能，包括：低功耗/应变（ low power consumption/strain）、大变形、快速响应、出色的运行稳定性。”他解释说，这种出色的性能源于纳米管结构的巨大有效表面积。较大的面积促进了离子的传输和积累，从而产生了高电活性和耐久性。

穆罕默德·雷扎·阿比甸补充说：“这种OSNT执行器的低功率/应变值比之前报道的液体和空气操作的电化学驱动器有显著提高，即使在使用液体电解质时也是如此。我们评估了其长期稳定性。与之前报道的在液体电解质中运行的基于共轭聚合物的驱动器相比，这种有机半导体纳米管驱动器显示出优异的长期稳定性。”

Mohammad Reza Abidian, associate professor of biomedical engineering at the University of Houston Cullen College of Engineering, has announced a breakthrough with the development of an electrochemical actuator. Credit: University of Houston

休斯顿大学卡伦工程学院（University of Houston Cullen College of Engineering）生物医学工程副教授穆罕默德·雷扎·阿比甸（Mohammad Reza Abidian见图示）宣布,在电化学驱动器的开发方面取得突破。与穆罕默德·雷扎·阿比甸一起参与该项目研究的还有Mohammad Javad Eslamian、Ferrestesadato Mirab、Bijay Krishna Lagunasan 和 Sirene Majid，他们都来自休斯顿大学凯伦理工学院（UH Karen Institute of Technology）的生物医学工程系。

所使用的有机半导体被称为共轭聚合物（conjugated polymers），是由三位科学家艾伦·J·黑格（Alan J. Heeger）、艾伦·G·马克迪尔米德（Alan G. MacDiarmid）和白川英树（Hideki Shirakawa）在20世纪70年代发现的，他们三位因发现和开发共轭聚合物而在2000年获得诺贝尔化学奖。

为了让新型驱动器超越现状，必须证明最终产品不仅非常有效（在这种情况下，同时使用液体和凝胶聚合物电解质），而且使用寿命更长。

穆罕默德·雷扎·阿比甸说：“为了展示潜在的应用，我们设计并开发了一种基于OSNT微驱动器的微米级可移动神经探针（micron-scale movable neural probe）。这种微探针可被植入大脑，记录受损组织或神经元移位（displacement of neurons）对神经信号的负面影响，可通过调整可移动微悬臂梁（movable microcantilevers）的位置得到增强。”

下一步是动物实验，很快将在哥伦比亚大学(Columbia University)进行。预计将于2021年年底获得早期结果，随后的长期测试将继续进行。

穆罕默德·雷扎·阿比甸说:“考虑到迄今为止的成就，我们预计这些新的基于OSNT的电化学驱动器设备将有助于推进下一代柔软机器人、人工肌肉、生物电子学和生物医学设备的发展。”上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Electrochemical devices that transform electrical energy to mechanical energy through an electrochemical process have numerous applications ranging from robotics and micropumps to microlenses and bioelectronics. To date, achievement of large deformation strains and fast responses remains challenging for electrochemical actuators wherein drag forces restrict the device motion and electrode materials/structures limit the ion transportation. Results for electrochemical actuators, electrochemical mass transfers, and electrochemical dynamics made from organic semiconductors (OSNTs) are reported. The OSNTs device exhibits high-performance with fast ion transport and accumulation in liquid and gel-polymer electrolytes. This device demonstrates an impressive performance, including low power consumption/strain, a large deformation, fast response, and excellent actuation stability. This outstanding performance stems from the enormous effective surface area of nanotubes that facilitates ion transport and accumulation resulting in high electroactivity and durability. Experimental studies of motion and mass transport are utilized along with the theoretical analysis for a variable–mass system to establish the dynamics of the device and to introduce a modified form of Euler-Bernoulli's equation for the OSNTs. Ultimately, a state-of-the-art miniaturized device composed of multiple microactuators for potential biomedical applications is demonstrated. This work provides new opportunities for next-generation actuators that can be utilized in artificial muscles and biomedical devices.