نانومواد

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل

 

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل
سنتز ماده نانو متخلخل PPy-سیلیکون. (A) زاویه دید بالا ، منطقه تاریک ، حلقه ای از نمای بالا TEM روی غشای سیلیکونی نانومخلخل که توسط الکتروپلیمر سازی با پیرول پر شده است. کد رنگهای سبز و قرمز به ترتیب غلظت N و Si حاصل از اندازه گیری های تشخیص EDX را نشان می دهد. (B) ضبط زمان ولتاژ در حین الکترو پلیمر شدن گالوانواستاتیک پیرول در سیلیکون نانو متخلخل ، با میانگین قطر منافذ d و ضخامت t. رژیم های مشخصه در متن اصلی نشان داده شده و مورد بحث قرار گرفته اند. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba1483

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل عدم وجود پیزوالکتریسیته در سیلیکون می تواند منجر به کاربردهای مستقیم الکترومکانیکی جریان اصلی جریان نیمه هادی شود. کنترل الکتریکی یکپارچه مکانیک سیلیکون می تواند چشم اندازهای جدیدی را برای محرکهای تراشه باز کند. در گزارش جدیدی ، مانوئل برینکر و یک تیم تحقیقاتی در زمینه فیزیک ، مواد ، میکروسکوپ و نانوساختارهای ترکیبی در آلمان ، نانو تخلخل در مقیاس ویفر را در سیلیکون تک کریستالی ترکیب کردند تا کامپوزیتی را که نشان دهنده الکتروتراست ماکروسکوپی در الکترولیتهای آبی است ، تولید کند. جفت ولتاژ کرنش سه مرتبه بزرگتر از سرامیک با بهترین عملکرد بود. برینکر و همکاران تحریک الکتریکی را به عملکرد متقاطع مقطع ۱۰۰ میلیارد نانوپور در هر سانتی متر مربع رسانده و ولتاژهای عملیاتی بسیار کمی (۰٫۴ تا ۰٫۹ ولت) را در کنار مواد پایه پایدار و زیست سازگار برای مواد بیوهیبرید با کاربردهای امیدوار کننده زیست محرک بدست آورده است. این اثر اکنون در پیشرفتهای علمی منتشر شده است.

در حال توسعه پلیمرها با عملکرد الکتروشیمیایی تعبیه شده

دانشکده ها :  تغییرات الکتروشیمیایی که هنگام اکسید شدن پلیمر رسانا رخ می دهد پلی پیرول (PPy) می تواند تعداد را کم یا زیاد کند تغییرات محرمانه در ستون فقرات پلیمر . هنگام غوطه ور شدن در الکترولیت ، این ماده با جذب یا دفع ضد یون برگشت پذیر با انقباض ماکروسکوپی و همچنین تورم تحت کنترل پتانسیل الکتریکی همراه است تا PPy یکی از متداول ترین مواد برای توسعه مواد عضلانی مصنوعی . در این کار ، برینکر و همکاران پلیمر محرک را با یک ساختار داربست سه بعدی (۳-D) سیلیکون نانو متخلخل ترکیب کرده تا ماده ای برای تحریک الکتروشیمیایی تعبیه شده طراحی کند. سازه جدید شامل چند عنصر سبک و فراوان از جمله هیدروژن (H) ، کربن (C) ، نیتروژن (N) ، اکسیژن (O) ، سیلیکون (Si) و کلر (Cl) است.

در طول آزمایش ، تیم با استفاده از الکتروشیمیایی غشای سیلیکون متخلخل (pSi) را تهیه کرد. فرآیند اچ سیلیکون دوپ شده در اسید هیدروفلوئوریک – سایپرز ، باشگاه دانش منافذ حاصله بر روی سطح سیلیکون مستقیم و عمود بودند. با استفاده از پروفایل های میکروسکوپ الکترونی روبشی ، Brinker و همکاران. ضخامت نمونه همگن مشاهده شده است. سپس آنها غشای متخلخل سیلیکون (pSi) را از طریق الکتروپلیمر شدن مونومرهای پیرول با پلی پروپیل (PPy) پر کردند. هسته پلیمر و اکسیداسیون جزئی pSi باعث افزایش پتانسیل مدار باز منجر به رسوب مداوم PPy در داخل منافذ می شود. منافذ کاملاً نامتقارن ، یک رشد پلیمری مانند زنجیره ای ایجاد کرده و از انشعاب پلیمر جلوگیری کرده و منجر به این تیم کامپوزیت حاصل را با استفاده از میکروگراف های الکترونی عبوری (TEM) با سیگنال های طیف سنج اشعه X پراکنده انرژی (EDX) برای نشان دادن پر شدن PPy همگن در ساختار لانه زنبوری تصادفی pSi.

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل
خصوصیات ساختاری توسط ایزوترم جذب ، تصویر سلول پلیمریزاسیون و تصویر راه اندازی الکتریکی. (A) ایزوترم جذب نیتروژن در T = 77 K ثبت شده برای سیلیکون نانو متخلخل. رسم شده کسر پر کردن حجم f در برابر فشار بخار نسبی p / p0 است. این شاخه توزیع r شعاع منفذ را نشان می دهد. (B) سلول الکتروشیمیایی برای پلیمریزاسیون PPy در غشا pSi. غشا از طریق یک لایه طلایی تماس می گیرد. جریان از طریق الکترود شمارنده پلاتین (CE) اعمال می شود در حالی که ولتاژ توسط یک سیم پلاتین که به عنوان یک الکترود شبه مرجع (RE) عمل می کند ، اندازه گیری می شود. (C) نمودارهای آزمایش های الکترواکتاسیون. غشای pSi پر از PPy در اسید پرکلریک ۱M (HClO4) غوطه ور شده و از طریق لایه طلا با آن تماس می گیرد. جریان بین الکترود شمارنده کربن (CE) اعمال می شود در حالی که ولتاژ توسط یک الکترود مرجع استاندارد هیدروژن (RE) اندازه گیری می شود. قسمت سمت راست نمادی از مواردی است که ولتاژ ۰٫۹ ولتی اعمال می شود و آنیون ها در PPy گنجانده می شوند و در نتیجه نمونه گسترش می یابد. برعکس ، در قسمت میانی ولتاژ ۰٫۴ ولتی اعمال می شود و آنیون ها به دنبال انقباض بعدی نمونه خارج می شوند. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba1483

مشخص کردن ماده ترکیبی

برای توصیف عملکرد ماده ترکیبی حاصل ، Brinker و همکاران. اندازه گیری های دیلاتومتری انجام شده است؛ یک روش تحلیلی – حرارتی برای اندازه گیری جمع شدن یا انبساط مواد ، در یک تنظیم الکتروشیمیایی درجا. آنها نمونه را در اسید پرکلریک غوطه ور کرده و طوری قرار دادند که منافذ در جهت افقی قرار بگیرند. این تیم سپس پروب کوارتز دیلاتومتر را در بالای نمونه قرار داد تا طول آن را اندازه گیری کند و پس از آن نمونه را در تماس با اسید پرکلریک تنظیم کردند تا تحریک الکتروشیمیایی آزمایشات. برینکر و همکاران مشخصات الکتروشیمیایی سیستم ترکیبی را قبل و در حین اندازه گیری دیلاتومتری با ضبط ولتاموگرام حلقوی (CV) اندازه گیری کرد. در محدوده پتانسیل ۰٫۴ ولت تا ۰٫۹ ولت غشا p pSi-PPy ویژگی شارژ خازنی PPy را به نمایش می گذارد ، جایی که جریان به سرعت به سمت یک مقدار ثابت حرکت می کند. آنها از ولتاژ بالاتر استفاده نکرده و مانع از اکسید شدن زیاد یا تخریب جزئی پلیمر می شوند. تیم تحقیق برای مشخص کردن جزئیات تحریک الکتروشیمیایی هنگام ضبط CV (ولتاموگرام حلقوی) ، تغییر طول نمونه را ثبت کردند.

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل
آزمایش های تحریک الکتروشیمیایی. (الف) نقشه های آزمایش الکتروشیمیایی روی غشا p pSi (خاکستری) پر از PPy (سبز) غوطه ور در الکترولیت آبی [HClO4 (آبی و قرمز) و H2O (مولکول های قرمز و سفید)]. ابعاد غشا as ساخته شده در سمت چپ ، طول l0 ، عرض w و ضخامت t است. قسمت میانی حالتی را نشان می دهد که ولتاژ ۰٫۴ ولتی اعمال شده و آنیونهای ClO − ۴ از PPy خارج می شوند و در نتیجه انقباض نمونه ایجاد می شود. برعکس ، در قسمت سمت راست ، ولتاژ ۰٫۹ ولتی اعمال می شود و آنیون ها ترکیب می شوند و به دنبال آن انبساط بعدی نمونه دنبال می شود. تغییر طول با Δl نشان داده می شود. (B) نمودار ولتامتری چرخه ای نمونه ای از غشا pSi-PPy در الکترولیت ۱ M HClO4 را نشان می دهد. ج فعلی در برابر پتانسیل اعمال شده E در مقابل SHE اندازه گیری شده است. سرعت رفت و برگشت بالقوه ۱۰ میلی ولت در ثانیه است. (C) نمودار میانگین مقادیر چگالی جریان حداکثر j را که در برابر سرعت بالقوه متغیر dE / dt از ۱۰ تا ۵۰ میلی ولت در ثانیه رسم شده است ، نشان می دهد. خط تیره یک رگرسیون خطی از نقاط داده را نشان می دهد که ظرفیت c * را به عنوان شیب تولید می کند. در سمت راست (D) پنج چرخه بالقوه نماینده E ، (E) qV بار حجمی حاصل شده و (F) سویه موثر معرفی شده غشای نانو متخلخل به تصویر کشیده شده است. اعتبار: پیشرفتهای علمی ، doi: 10.1126 / sciadv.aba1483

کولیت سنجی مرحله

برینکر و همکاران سپس کولومتری گامی را برای تحلیل سینتیکی محرک و میزان ماده تبدیل شده در اثر واکنش الکترولیز توسط اندازه گیری مقدار برق مصرفی یا تولید شده در تنظیمات. پاسخ کرنش تنظیم آزمایشی تقریباً با یک مرتبه از سرعت شارژ و تخلیه سریعتر بود. دو اثر ممکن است در مشاهده نقش داشته باشد. اول ، در طول آزمایش ، ممکن است پلی پیرول (PPy) به حد عملکرد خود رسیده باشد تا باعث تغییر شکل پلاستیک شود. همانطور که از طریق تجزیه و تحلیل میکرو مکانیکی ذکر شد ، کل نمونه بیشتر گسترش نخواهد یافت. دوم ، محدودیت های انتشار ممکن است مانع انتقال سریع آنیون ها به PPy شوند ، یک محدودیت جنبشی که توسط شبیه سازی های دینامیک مولکولی پشتیبانی می شود. دانشمندان همچنین ویژگی های ریز مکانیکی ریزساختار استخراج شده از میکروگراف الکترون همان ناحیه از مواد را برای درک مکانیسم الکترو فعال سازی غشا p pSi پر از PPy الگوسازی کردند. آنها ماژول یانگ مواد را برای PPy خالی و PPy مملو از غشاi pSi اندازه گیری کردند تا نشان دهد که چگونه ساختار شبکه pSi بر سختی ماکروسکوپی مواد مسلط است.

فعال سازی الکتروشیمیایی غول پیکر در یک ماده ترکیبی سیلیکون-پلی پیرول نانو متخلخل
مدول Young از غشا membrane pSi خالی و پر از ماده PPy. مقادیر به عنوان تابعی از مقدار آستانه خاکستری پیش بینی می شوند. منحنی سیاه مربوط به غشای خالی pSi است و منحنی آبی برای غشا p pSi پر از PPy پیش بینی شده است. کالیبراسیون غشا p pSi به مدول ماکروسکوپی Young اندازه گیری شده = ۱۰ GPa ، آستانه خاکستری ۱۲۳ را به همراه دارد. اعتبار: Science Advances ، doi: 10.1126 / sciadv.aba1483

عملکرد پیشرفته سیستم بیوهیبرید

فشار تورم مکانیکی داخلی در سیستم الکترولیت آبی / PPy (پلی پیرول) به دلیل وجود پتانسیل الکتریکی اعمال شده بر کل محیط متخلخل ، به حرکت یون های متقابل در فضای منافذ کمک می کند. در مقابل مواد پیزوالکتریک ، پتانسیل مورد استفاده در این کار برای به دست آوردن موارد استثنایی فعال سازی با استفاده از مواد ترکیبی زیست سازگار به طور قابل توجهی پایین تر بود ، که نشان دهنده بهبود عملکرد سیستم ترکیبی است.

به این ترتیب ، مانوئل برینکر و همکارانش تحریک الکتروشیمیایی زیادی را در یک نیمه هادی جریان اصلی در کنار ادغام عملکرد سیلیکون متخلخل (pSi) برای ایجاد مسیرهای متنوع و پایدار برای ذخیره انرژی الکتروشیمیایی و سایر برنامه ها در محیط های الکترولیتی آبی. این کار در رویکردهای قبلی در ترکیب مواد محرک پیزوالکتریک کلاسیک گسترش یافت ،

اما در مقایسه با سرامیک های پیزوالکتریک با کارایی بالا ، تیم هیچ یک از فلزات سنگین مانند سرب (Pb) را برای عملکرد ادغام نکرد. مواد به کار رفته در این کار ، در کنار ولتاژهای عملکردی فوق العاده کوچک مناسب برای عملکردهای زیست پزشکی محرک ، زیست سازگار و قابل تجزیه هستند. از دیدگاه علم مواد ، این تحقیق نشان داد که چگونه می توان تخلخل خود سازمان یافته در مواد جامد را برای طراحی مواد مکانیکی ۳-D قوی ، برای ادغام نانوکامپوزیت ها در دستگاه های کلان ، کاربردی کرد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

نوشته های مشابه

دکمه بازگشت به بالا