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    Actionneurs bioinspirés basés sur MXene pour appareils intelligents programmables

    La structure élaborée, Composants, et le mécanisme d'actionnement de l'actionneur à base de MXene-cellulose. (A) Photographie d'une feuille naturelle. (B) Schéma d'une structure de feuille. (C) Schéma de principe de l'actionneur structuré en bicouche MXCC/PC, qui est composé de MXCC et d'une membrane filtrante en PC. (D) Mécanisme d'actionnement de l'actionneur structuré en bicouche MXCC/PC. Changements de structure macroscopique et microcosmique (impliquant des liaisons H) de l'actionneur structuré en bicouche MXCC/PC en réponse à des stimuli hygroscopiques et thermiques simultanément (les processus d'actionnement hygroscopique et thermique sont contrôlés par l'actionnement de la lumière électrique et NIR). Images de microscopie électronique à balayage du MXCC (E) et de la membrane filtrante PC (F). Mesure de l'angle de contact de la membrane filtrante MXCC (G) et PC (H). (I) Image de microscopie électronique à transmission de la nanofeuille 2D MXene (encart :motif SAED). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7956

    Lors de la photosynthèse, les feuilles naturelles avec des architectures élaborées et des composants fonctionnels peuvent récolter et convertir l'énergie solaire en combustibles chimiques qui sont convertis en énergie. La production d'énergie biologique a fourni aux scientifiques des matériaux un nouveau paradigme bioinspiré pour produire de nombreux systèmes autonomes, y compris le mouvement déclenché par la lumière. Dans un récent rapport, Guofo Cai et ses collègues des départements de science et génie des matériaux, Sciences et Mécanique Astronautique, et génie chimique, développé une base d'actionneur bicouche sans précédent sur MXene (Ti 3 C 2 T X )-membranes composites cellulosiques (MXCC) et polycarbonate (PC).

    L'appareil imitait l'architecture sophistiquée d'une feuille et montrait des capacités de récupération et de conversion d'énergie similaires à la photosynthèse. L'actionneur bicouche contenait des caractéristiques hautement souhaitables, notamment ; multi-réactivité, actionnement de faible puissance, vitesse d'actionnement rapide, déformation de grande forme, stabilité robuste et adaptabilité programmable—bien adapté aux systèmes intelligents modernes basés sur des actionneurs souples. Cai et al. croient que ces systèmes souples adaptatifs seront attrayants en tant que technologies révolutionnaires pour construire des robots souples, commutateurs intelligents, pour le cryptage des informations, affichage dynamique infrarouge, camouflage et régulation de la température. Ils envisagent des utilisations supplémentaires de la technologie pour développer des interfaces homme-machine telles que l'haptique. L'étude est maintenant publiée dans Avancées scientifiques .

    Les scientifiques des matériaux ont étudié des matériaux et des dispositifs qui changent de forme dynamiquement, taille et propriétés électriques/mécaniques en réponse à des stimuli externes pour une variété d'applications. De tels dispositifs ont des fonctions importantes en tant qu'actionneurs, muscles artificiels, en robotique, comme générateurs d'énergie, capteurs et rideaux intelligents. Les scientifiques ont consacré des efforts considérables au développement d'actionneurs intelligents basés sur une variété de matériaux actifs tels que les nanotubes de carbone et le graphène, polymères à mémoire de forme, gels, polymères conjugués et élastomères à cristaux liquides ainsi que céramiques et alliages.

    GAUCHE :Performances mécaniques et mouvements de l'actionneur à structure bicouche MXCC/PC causés par la lumière NIR. (A) Les changements de force statique et de contrainte typiques des actionneurs à base de MXCC et de cellulose au cours d'un cycle d'actionnement lorsque l'éclairage NIR était allumé et éteint (50 mW cm-2). (B) Tracé de la force statique et de la déformation des actionneurs à base de MXCC et de cellulose en fonction du temps pendant cinq cycles consécutifs d'allumage et d'extinction de la lumière NIR, indiquant le réversible, stable, et processus d'actionnement rapide. (C) Changements de force statique de l'actionneur basé sur MXCC sous différentes intensités d'éclairage NIR (de 5 à 200 mW cm-2). (D) Angle de flexion de l'actionneur basé sur MXCC sous différentes intensités d'éclairage NIR (de 5 à 200 mW cm-2). DROITE :Modification de la structure sous différentes intensités d'éclairage NIR et modélisation mécanique. (A) Modèles XRD d'actionneurs basés sur MXCC et MXene sous différentes intensités d'éclairage NIR (lignes continues, Actionneur basé sur MXCC ; lignes en pointillé, actionneur basé sur MXene). (B) Espacement d correspondant des actionneurs basés sur MXCC et MXene sous différentes intensités d'éclairage NIR. (C) Résultats simulés et expérimentaux de l'actionneur basé sur MXCC. (D) Résultats simulés de l'actionneur basé sur MXCC sous éclairage NIR. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7956

    Une variété de stimuli environnementaux tels que l'humidité, Température, électricité, la lumière et le pH peuvent déclencher des altérations physiques de ces matériaux. Mais il est actuellement difficile d'améliorer la vitesse d'actionnement et les changements de forme à grande échelle en raison d'une mauvaise instabilité mécanique et thermique qui limite leurs capacités. Construire un actionneur intelligent qui répond à divers stimuli tels que l'humidité, électricité, chaleur ou lumière avec actionnement rapide, déformation de grande forme, une adaptabilité programmable et une stabilité robuste sont donc hautement souhaitables. Pour construire de nouvelles propriétés matérielles améliorées, les scientifiques des matériaux doivent donc explorer des matériaux combinatoires non identifiés auparavant et concevoir rationnellement des configurations de dispositifs pour inventer des actionneurs hautes performances.

    MXene (Ti 3 C 2 T X ) utilisé dans le présent travail appartient à une nouvelle famille de cristaux liquides, carbures métalliques bidimensionnels (2-D) à excellente conductivité électrique, conductivité thermique et conversion photothermique pour former des actionneurs multiréactifs et potentiellement très performants. Il n'existe actuellement qu'un seul exemple d'utilisation du MXene comme actionneur électrochimique. Dans le travail present, donc, Cai et al. visant à utiliser MXene comme actionneur souple multiréactif pour explorer l'inspiration des feuilles, architecture sophistiquée pour un actionnement simple, couplé à des composants fonctionnels synergiques.

    Inspiré de l'architecture biologique et du mécanisme photosynthétique d'une feuille naturelle, Cai et al. conçu un asymétrique, actionneur souple bicouche utilisant un monocristal, Nanofeuilles 2-D MXene pour récolter l'énergie électrique ou lumineuse pour la conversion en énergie thermique. Pour ça, ils ont utilisé biocompatible, nanofibres de cellulose pour former le squelette veineux pour des changements rapides de forme en forme de feuille aux côtés de membranes filtrantes en polycarbonate (PC) pour former les stomates et l'épiderme pour l'insertion et l'extraction d'eau vers ou à partir des composites MXène-cellulose (MXCC). Les scientifiques ont confirmé l'absorption accrue d'eau dans le MXCC en raison de la présence de cellulose à l'aide de spectres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR). En utilisant des diagrammes de diffraction électronique à zone sélectionnée (SAED), ils ont détecté la présence de MXène sous forme de structure hexagonale et de monocristallinité sans défauts à l'échelle nanométrique.

    Une vidéo de caméra numérique en temps réel de l'actionneur structuré en bicouche MXCC/PC lors d'une irradiation de lumière NIR séquentielle. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7956

    L'actionneur souple a maintenu une forme plate et sans pli dans des conditions ambiantes avec une humidité relative, tout en se pliant en réponse à l'augmentation/diminution de l'humidité dans l'environnement, dont Cai et al. analysés quantitativement. Ils ont noté d'excellentes performances de l'actionneur et des angles de flexion contrôlables dans une variété de niveaux d'humidité. Les scientifiques ont ensuite étudié l'actionnement électrique de l'appareil en connectant une bande de MXène-cellulose à deux fils de cuivre. L'angle de flexion diminue presque linéairement avec l'augmentation de la puissance électrique, tandis que l'actionneur souple ne nécessitait qu'une basse tension pour obtenir un actionnement extrême. Par rapport à l'actionnement basé sur l'humidité, les scientifiques ont obtenu des angles de flexion plus grands grâce à l'actionnement électrothermique.

    Les scientifiques ont également enregistré la variation de température et les angles de liaison des actionneurs souples à l'aide d'une irradiation lumineuse proche infrarouge (NIR). Ils ont observé un mouvement d'actionnement synergique remarquable du matériau composite MXene/cellulose, contrairement aux faibles performances d'actionnement des composants individuels. Sur la base de l'absorption optique observée, conversion photothermique et actionnement électrochimique, Cai et al prévoient l'utilisation de ces actionneurs souples intelligents composites dans des fonctions photosensibles.

    Cai et al. en outre étudié les forces mécaniques photoinduites du matériau sous irradiation de lumière NIR sur un analyseur mécanique. Le processus d'actionnement de MXCC/PC était rapide et réversible. Les scientifiques ont étudié les changements structurels des actionneurs MXCC/PC et MXene/PC sous différentes intensités d'éclairage en utilisant des mesures de diffraction des rayons X (XRD) pour montrer le caractère amorphe de la cellulose et de la membrane PC. Ils ont étudié le comportement mécanique à l'aide de méthodes de modélisation par éléments finis (FEM) pour mieux comprendre le processus d'actionnement du matériau composite. Les résultats de la modélisation concordaient avec les résultats expérimentaux de l'étude.

    Mouvements programmables représentatifs pour l'actionneur structuré en bicouche MXCC/PC. (A) Actionneur en forme de U pliable double. (B) Actionneur en forme d'arc de trèfle. (C) Boîte auto-pliante. (D) Fleur à floraison automatique. Les lignes pointillées vertes dans (C) et (D) (dessin du diagramme de gauche) sont les légers plis créés au bas de la boîte et de la fleur pour que la boîte à pliage automatique et la fleur à floraison automatique fonctionnent bien sous irradiation NIR. (Crédit photo :Guofa Cai, Université technologique de Nanyang.) Crédit:Science Advances, doi:10.1126/sciadv.aaw7956

    Pour démontrer le comportement d'actionnement programmable, les scientifiques ont développé une série de configurations sophistiquées. Incluant un actionneur pliant double en forme de U, actionneur en forme d'arc de trèfle et fleur à floraison automatique où les pétales se sont ouverts et ont fleuri avant l'irradiation NIR pour se fermer rapidement lors de l'exposition au NIR. En outre, les scientifiques ont exploré une variété d'appareils intelligents tels que des robots ressemblant à des vers, commutateurs intelligents, un dispositif de cryptage ainsi qu'un affichage dynamique IR et un camouflage pour étendre le concept principal. Par ailleurs, Cai et al. construit un commutateur intelligent en modelant le MXCC en forme de croix sur la membrane du PC, qu'ils contrôlaient à l'aide de la lumière NIR sans fil. Sur la base des principes, les scientifiques ont également formé un circuit électrique ouvert pour allumer/éteindre une montre intelligente à l'aide de la lumière NIR.

    Pour le cryptage des données, basé sur l'encre programmable MXene-cellulose, Cai et al. conçu un modèle souhaité et transmis les informations par chauffage local à l'aide de la lumière NIR ou de l'électricité. L'information n'était lisible qu'en infrarouge et invisible à l'œil humain, fournissant un cryptage des informations mieux adapté au-delà des codes à barres lisibles par machine et des codes QR. La capacité d'intégrer diverses fonctionnalités dans un seul système pour obtenir un camouflage, l'affichage et l'actionnement sont importants et utiles dans de multiples disciplines. Ces dispositifs ont confirmé la possibilité d'utiliser des membranes MXCC/PC pour remplir plusieurs fonctions dans des systèmes logiciels intelligents, notamment le cryptage des informations, camouflage et comportement thermo-réactif.

    Une vidéo d'appareil photo numérique en temps réel de l'interrupteur intelligent lors de l'irradiation séquentielle de la lumière NIR. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aaw7956

    Les nouveaux matériaux composites, conception rationnelle et fabrication à faible coût introduites dans l'étude, aux côtés des stratégies de synthèse mises en œuvre par les scientifiques, rendra les systèmes membranaires MXCC/PC accessibles à de vastes domaines scientifiques et techniques. De cette façon, Guofa Cai et ses collègues ont développé et établi une nouvelle classe de matériaux et dispositifs multi-réactifs avec une intégration sans précédent de propriétés multiples inspirées par des structures biologiques multifonctionnelles.

    Les systèmes de membranes MXCC/PC ont imité les caractéristiques cruciales d'une feuille naturelle, de la microstructure aux capacités photosynthétiques, qui comprenait la récupération et la conversion d'énergie. Les actionneurs bicouches ont montré des caractéristiques fortes, similaire aux actionneurs multiréactifs de pointe. Les matériaux explorés et les systèmes avancés peuvent être développés davantage pour établir de nouvelles possibilités de technologies révolutionnaires dans les domaines de la robotique douce, cryptage des informations et affichage dynamique IR.

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