Durante la fotosíntesis, Las hojas naturales con arquitecturas elaboradas y componentes funcionales pueden recolectar y convertir la energía solar en combustibles químicos que se convierten en energía. La producción de energía biológica ha proporcionado a los científicos de materiales un nuevo paradigma bioinspirado para producir muchos sistemas autónomos, incluido el movimiento activado por luz. En un informe reciente, Guofo Cai y colaboradores de los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Ciencia y Mecánica Astronáutica, e Ingeniería Química, desarrolló una base de actuador de dos capas sin precedentes en MXene (Ti ₃ C ₂ T _X ) compuestos de celulosa (MXCC) y membranas de policarbonato (PC).

El dispositivo imitaba la sofisticada arquitectura de una hoja y mostraba capacidades de conversión y recolección de energía similares a la fotosíntesis. El actuador de dos capas contenía características muy deseables que incluían; capacidad de respuesta múltiple, accionamiento de baja potencia, velocidad de actuación rápida, deformación de gran forma, estabilidad robusta y adaptabilidad programable, muy adecuada para sistemas inteligentes modernos basados ​​en actuadores suaves. Cai y col. creen que estos sistemas blandos adaptativos serán atractivos como tecnologías revolucionarias para construir robots blandos, interruptores inteligentes, para el cifrado de información, pantalla dinámica infrarroja, camuflaje y regulación de temperatura. Ellos prevén usos adicionales de la tecnología para desarrollar interfaces hombre-máquina como la háptica. El estudio se publica ahora en Avances de la ciencia .

Los científicos de materiales han estudiado materiales y dispositivos que cambian de forma dinámicamente, tamaño y propiedades eléctricas / mecánicas en respuesta a estímulos externos para una variedad de aplicaciones. Dichos dispositivos tienen funciones importantes como actuadores, músculos artificiales, en robótica, como generadores de energía, sensores y cortinas inteligentes. Los científicos han dedicado esfuerzos sustanciales para desarrollar actuadores inteligentes basados ​​en una variedad de materiales activos como nanotubos de carbono y grafeno. polímeros con memoria de forma, geles polímeros conjugados y elastómeros de cristal líquido, así como cerámicas y aleaciones.

Una variedad de estímulos ambientales como la humedad, temperatura, electricidad, la luz y el pH pueden provocar alteraciones físicas de estos materiales. Pero actualmente es difícil mejorar la velocidad de actuación y los cambios de forma a escala debido a la mala inestabilidad mecánica y térmica que restringe sus capacidades. Construyendo un actuador inteligente que responda a diversos estímulos como la humedad, electricidad, calor o luz con actuación rápida, deformación de gran forma, Por lo tanto, es muy deseable la adaptabilidad programable y la estabilidad robusta. Para construir propiedades de materiales nuevas y mejoradas, Por lo tanto, los científicos de materiales deben explorar materiales combinatorios no identificados previamente y diseñar racionalmente configuraciones de dispositivos para inventar actuadores de alto rendimiento.

MXene (Ti ₃ C ₂ T _X ) utilizado en el presente trabajo pertenece a una nueva familia de líquido-cristalino, Carburos metálicos bidimensionales (2-D) con excelente conductividad eléctrica, conductividad térmica y conversión fototérmica para formar actuadores de respuesta múltiple y potencialmente de alto rendimiento. Actualmente, solo existe un ejemplo del uso de MXene como actuador electroquímico. En el presente trabajo, por lo tanto, Cai y col. destinado a utilizar MXene como un actuador suave de respuesta múltiple para explorar hojas inspiradas, arquitectura sofisticada para un accionamiento sencillo, junto con componentes funcionales sinérgicos.

Inspirado en la arquitectura biológica y el mecanismo fotosintético de una hoja natural, Cai y col. diseñado un asimétrico, actuador bicapa suave con monocristal, Nanohojas 2-D MXene para recolectar energía eléctrica o luminosa para convertirla en energía térmica. Para esto, utilizaron biocompatible, nanofibras de celulosa para formar el esqueleto de la vena para cambios rápidos de forma en forma de hoja junto con membranas de filtro de policarbonato (PC) para formar los estomas y la epidermis para la inserción y extracción de agua hacia o desde los compuestos de MXene-celulosa (MXCC). Los científicos confirmaron el aumento de la absorción de agua en MXCC debido a la presencia de celulosa utilizando espectros infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR). Usando patrones de difracción de electrones de área seleccionada (SAED), detectaron la presencia de MXene como una estructura hexagonal y cristalinidad única sin defectos a escala nanométrica.

El actuador suave mantuvo una forma plana y sin arrugas en condiciones ambientales con humedad relativa, mientras se dobla en respuesta al aumento / disminución de la humedad en el ambiente, que Cai et al. analizado cuantitativamente. Destacaron un excelente rendimiento del actuador y ángulos de flexión controlables en una variedad de niveles de humedad. A continuación, los científicos investigaron la activación eléctrica del dispositivo conectando una tira de celulosa MXene a dos cables de cobre. El ángulo de flexión disminuyó casi linealmente al aumentar la potencia eléctrica, mientras que el actuador suave solo requería un voltaje bajo para lograr una actuación extrema. En comparación con la actuación basada en humedad, los científicos lograron ángulos de flexión más grandes con activación electrotérmica.

Los científicos también registraron la variación de temperatura y los ángulos de unión de los actuadores suaves utilizando irradiación de luz infrarroja cercana (NIR). Observaron un movimiento de actuación sinérgico notable del material compuesto MXene / celulosa, en contraste con el pobre desempeño de actuación de los componentes individuales. Basado en la absorción óptica observada, conversión fototérmica y actuación electroquímica, Cai et al anticipan el uso de estos actuadores suaves inteligentes compuestos en funciones fotosensibles.

Cai y col. investigó más a fondo las fuerzas mecánicas fotoinducidas del material bajo irradiación de luz NIR en un analizador mecánico. El proceso de actuación de MXCC / PC fue rápido y reversible. Los científicos estudiaron los cambios estructurales de los actuadores MXCC / PC y MXene / PC bajo diferentes intensidades de iluminación utilizando mediciones de difracción de rayos X (XRD) para mostrar el carácter amorfo de la membrana de celulosa y PC. Investigaron el comportamiento mecánico utilizando métodos de modelado de elementos finitos (FEM) para comprender mejor el proceso de actuación del material compuesto. Los resultados del modelado coincidieron con los resultados experimentales del estudio.

Para demostrar el comportamiento de actuación programable, los científicos desarrollaron una serie de configuraciones sofisticadas. Incluyendo un actuador en forma de U plegable doble, actuador en forma de arco de trébol y flor auto-floreciente donde los pétalos se abrieron y florecieron antes de la irradiación NIR para cerrarse rápidamente al exponerse a NIR. Adicionalmente, los científicos exploraron una variedad de dispositivos inteligentes, como robots con forma de gusano, interruptores inteligentes, un dispositivo de cifrado, así como una pantalla dinámica de infrarrojos y camuflaje para ampliar el concepto principal. Es más, Cai y col. construyó un interruptor inteligente modelando MXCC en forma de cruz en la membrana de la PC, que controlaron mediante luz inalámbrica NIR. Basado en los principios, Los científicos también formaron un circuito eléctrico abierto para encender / apagar un reloj inteligente con luz NIR.

Para el cifrado de datos, basado en la tinta programable MXene-celulosa, Cai y col. diseñó un patrón deseado y transmitió la información mediante calefacción local utilizando luz NIR o electricidad. La información solo era legible mediante infrarrojos e invisible para el ojo humano, proporcionando un cifrado de información más adecuado más allá de los códigos de barras y códigos QR legibles por máquina. La capacidad de integrar diversas funcionalidades en un sistema para lograr el camuflaje, la visualización y la actuación son importantes y útiles en múltiples disciplinas. Estos dispositivos confirmaron la posibilidad de usar membranas MXCC / PC para cumplir múltiples funciones en sistemas inteligentes inteligentes, incluido el cifrado de información, camuflaje y comportamiento termo-sensible.

Los nuevos materiales compuestos, diseño racional y fabricación de bajo costo introducidos en el estudio, junto con las estrategias sintéticas implementadas por los científicos, hará que los sistemas de membranas MXCC / PC sean accesibles para amplios campos científicos y de ingeniería. De este modo, Guofa Cai y sus colaboradores desarrollaron y establecieron una nueva clase de materiales y dispositivos de respuesta múltiple con una integración sin precedentes de múltiples propiedades inspiradas en estructuras biológicas multifuncionales.

Los sistemas de membranas MXCC / PC imitaron características cruciales de una hoja natural desde la microestructura hasta las capacidades fotosintéticas, que incluía la captación y conversión de energía. Los actuadores bicapa mostraron características fuertes, similar a los actuadores de respuesta múltiple de última generación. Los materiales explorados y los sistemas avanzados pueden desarrollarse aún más para establecer nuevas posibilidades de tecnologías revolucionarias en los campos de la robótica blanda. cifrado de información y visualización dinámica de infrarrojos.

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