Un polímero electroactivo ( EAP ) es un polímero que presenta un cambio de tamaño o forma cuando es estimulado por un campo eléctrico . Las aplicaciones más comunes de este tipo de material son en actuadores [1] y sensores . [2] [3] Una propiedad característica típica de un EAP es que sufrirá una gran cantidad de deformación mientras soporta grandes fuerzas .
La mayoría de los actuadores históricos están hechos de materiales piezoeléctricos cerámicos . Si bien estos materiales pueden soportar grandes fuerzas, por lo general solo se deforman una fracción de un porcentaje. A fines de la década de 1990, se demostró que algunos EAP pueden exhibir una deformación de hasta 380 % , que es mucho más que cualquier actuador cerámico. [1] Una de las aplicaciones más comunes de los EAP es en el campo de la robótica en el desarrollo de músculos artificiales; por lo tanto, a un polímero electroactivo a menudo se lo denomina músculo artificial .
El campo de los EAP surgió en 1880, cuando Wilhelm Röntgen diseñó un experimento en el que probó el efecto de un campo electrostático sobre las propiedades mecánicas de una tira de caucho natural. [4] La tira de caucho se fijó en un extremo y se unió a una masa en el otro. Luego se rociaron cargas eléctricas sobre el caucho y se observó que la longitud cambiaba. Fue en 1925 cuando se descubrió el primer polímero piezoeléctrico ( Electret ). El electreto se formó combinando cera de carnauba , colofonia y cera de abejas , y luego enfriando la solución mientras se somete a una polarización eléctrica de CC aplicada . Luego, la mezcla se solidificaría en un material polimérico que exhibiría un efecto piezoeléctrico .
Los polímeros que responden a condiciones ambientales distintas a la aplicación de una corriente eléctrica también han sido una gran parte de esta área de estudio. En 1949, Katchalsky et al. demostraron que cuando los filamentos de colágeno se sumergen en soluciones ácidas o alcalinas , responderían con un cambio de volumen . [5] Se descubrió que los filamentos de colágeno se expanden en una solución ácida y se contraen en una solución alcalina . Aunque se han investigado otros estímulos (como el pH ), debido a su facilidad y practicidad, la mayoría de las investigaciones se han dedicado al desarrollo de polímeros que respondan a estímulos eléctricos para imitar sistemas biológicos.
El siguiente gran avance en EAPs tuvo lugar a finales de la década de 1960. En 1969, Kawai demostró que el fluoruro de polivinilideno (PVDF) exhibe un gran efecto piezoeléctrico. [5] Esto despertó el interés de la investigación en el desarrollo de otros polímeros que mostraran un efecto similar. En 1977, Hideki Shirakawa et al. descubrieron los primeros polímeros conductores de electricidad. [6] Shirakawa, junto con Alan MacDiarmid y Alan Heeger , demostraron que el poliacetileno era conductor de electricidad y que al doparlo con vapor de yodo , podían mejorar su conductividad en 8 órdenes de magnitud. Por lo tanto, la conductancia era cercana a la de un metal. A finales de la década de 1980, se había demostrado que varios otros polímeros exhibían un efecto piezoeléctrico o se había demostrado que eran conductores.
A principios de los años 1990, se desarrollaron los compuestos iónicos de polímero y metal (IPMCs) y se demostró que exhibían propiedades electroactivas muy superiores a las de los EAP anteriores. La principal ventaja de los IPMCs era que podían mostrar activación (deformación) a voltajes tan bajos como 1 o 2 voltios . [5] Esto es órdenes de magnitud menor que cualquier EAP anterior. No solo la energía de activación para estos materiales era mucho menor, sino que también podían sufrir deformaciones mucho mayores. Se demostró que los IPMCs exhibían una deformación de hasta un 380%, órdenes de magnitud mayor que los EAP desarrollados anteriormente. [1]
En 1999, Yoseph Bar-Cohen propuso el desafío de un brazo robótico EAP contra un humano . [5] Este desafío fue un desafío en el que grupos de investigación de todo el mundo compitieron para diseñar un brazo robótico compuesto por músculos EAP que pudiera derrotar a un humano en un combate de pulso . El primer desafío se llevó a cabo en la Conferencia de Dispositivos y Actuadores de Polímeros Electroactivos en 2005. [5] Otro hito importante en el campo es que el primer dispositivo desarrollado comercialmente que incluía EAP como músculo artificial fue producido en 2002 por Eamex en Japón. [1] Este dispositivo era un pez que podía nadar por sí solo, moviendo su cola usando un músculo EAP. Pero el progreso en el desarrollo práctico no ha sido satisfactorio. [7]
Una investigación financiada por DARPA en la década de 1990 en SRI International y dirigida por Ron Pelrine desarrolló un polímero electroactivo utilizando polímeros de silicona y acrílico; la tecnología se escindió en la empresa Artificial Muscle en 2003, y la producción industrial comenzó en 2008. [8] En 2010, Artificial Muscle se convirtió en una subsidiaria de Bayer MaterialScience . [9]
Los EAP pueden tener varias configuraciones, pero generalmente se dividen en dos clases principales: dieléctricos e iónicos.
Los elastómeros dieléctricos son materiales en los que la actuación se produce por fuerzas electrostáticas entre dos electrodos que comprimen el polímero. Los elastómeros dieléctricos son capaces de soportar tensiones muy elevadas y son fundamentalmente un condensador que cambia su capacidad cuando se aplica un voltaje al permitir que el polímero se comprima en espesor y se expanda en área debido al campo eléctrico. Este tipo de elastómeros dieléctricos normalmente requiere un gran voltaje de actuación para producir campos eléctricos elevados (de cientos a miles de voltios ), pero un consumo de energía eléctrica muy bajo . Los elastómeros dieléctricos no requieren energía para mantener el actuador en una posición determinada. Algunos ejemplos son los polímeros electroestrictivos y los elastómeros dieléctricos.
Los polímeros ferroeléctricos son un grupo de polímeros polares cristalinos que también son ferroeléctricos , lo que significa que mantienen una polarización eléctrica permanente que puede invertirse o conmutarse en un campo eléctrico externo . [10] [11] Los polímeros ferroeléctricos, como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), se utilizan en transductores acústicos y actuadores electromecánicos debido a su respuesta piezoeléctrica inherente , y como sensores de calor debido a su respuesta piroeléctrica inherente . [12]
Los polímeros de injerto electroestrictivos consisten en cadenas principales flexibles con cadenas laterales ramificadas. Las cadenas laterales de los polímeros de la cadena principal vecina se entrecruzan y forman unidades cristalinas. Las unidades cristalinas de la cadena principal y la cadena lateral pueden formar monómeros polarizados, que contienen átomos con cargas parciales y generan momentos dipolares, como se muestra en la Figura 2. [13]
Cuando se aplica un campo eléctrico, se aplica una fuerza a cada carga parcial, lo que provoca la rotación de toda la unidad de polímero. Esta rotación provoca una tensión electroestrictiva y la deformación del polímero.
Los polímeros cristalinos líquidos de cadena principal tienen grupos mesogénicos unidos entre sí por un espaciador flexible. Los mesógenos dentro de una cadena principal forman la estructura de mesofase, lo que hace que el polímero mismo adopte una conformación compatible con la estructura de la mesofase. El acoplamiento directo del orden cristalino líquido con la conformación del polímero ha otorgado a los elastómeros cristalinos líquidos de cadena principal una gran cantidad de interés. [14] La síntesis de elastómeros altamente orientados conduce a una gran activación térmica de la deformación a lo largo de la dirección de la cadena del polímero, con variación de temperatura que resulta en propiedades mecánicas únicas y aplicaciones potenciales como actuadores mecánicos.
Los EAP iónicos son polímeros en los que la activación se produce por el desplazamiento de iones en el interior del polímero. Solo se necesitan unos pocos voltios para la activación, pero el flujo iónico implica que se necesita una mayor potencia eléctrica para la activación y se necesita energía para mantener el actuador en una posición determinada.
Ejemplos de EAP iónicos son los polímeros conductores , los compuestos iónicos de polímero y metal (IPMC) y los geles sensibles. Otro ejemplo es un actuador de gel Bucky, que es una capa de material polielectrolítico soportada por polímero que consiste en un líquido iónico intercalado entre dos capas de electrodos , que luego es un gel de líquido iónico que contiene nanotubos de carbono de pared simple . [15] El nombre proviene de la similitud del gel con el papel que se puede hacer filtrando nanotubos de carbono, el llamado buckypaper . [16]
Los fluidos electrorreológicos cambian de viscosidad cuando se les aplica un campo eléctrico. El fluido es una suspensión de polímeros en un líquido de baja constante dieléctrica. [17] Con la aplicación de un campo eléctrico grande, la viscosidad de la suspensión aumenta. Las posibles aplicaciones de estos fluidos incluyen amortiguadores, soportes de motor y amortiguadores acústicos. [17]
Los compuestos iónicos de polímero y metal consisten en una membrana ionomérica delgada con electrodos de metal noble recubiertos en su superficie. También tiene cationes para equilibrar la carga de los aniones fijados a la cadena principal del polímero. [18] Son actuadores muy activos que muestran una deformación muy alta a bajo voltaje aplicado y muestran baja impedancia. Los compuestos iónicos de polímero y metal funcionan a través de la atracción electrostática entre los contraiones catiónicos y el cátodo del campo eléctrico aplicado, una representación esquemática se muestra en la Figura 3. Estos tipos de polímeros muestran la mayor promesa para usos biomiméticos ya que las fibras de colágeno están compuestas esencialmente de polímeros iónicos cargados naturales. [19] Nafion y Flemion son compuestos de polímeros iónicos y metal de uso común. [20]
Los geles sensibles a estímulos ( hidrogeles , cuando el agente de hinchamiento es una solución acuosa) son un tipo especial de redes poliméricas hinchables con comportamiento de transición de fase de volumen. Estos materiales cambian reversiblemente su volumen, propiedades ópticas, mecánicas y otras por alteraciones muy pequeñas de ciertos estímulos físicos (por ejemplo, campo eléctrico, luz, temperatura) o químicos (concentraciones). [21] El cambio de volumen de estos materiales ocurre por hinchamiento/contracción y se basa en la difusión. Los geles proporcionan el mayor cambio en volumen de los materiales de estado sólido. [22] Combinados con una excelente compatibilidad con tecnologías de microfabricación, especialmente los hidrogeles sensibles a estímulos son de fuerte interés creciente para microsistemas con sensores y actuadores. Los campos actuales de investigación y aplicación son los sistemas de sensores químicos, microfluídica y sistemas de imágenes multimodales.
Los polímeros dieléctricos pueden mantener su desplazamiento inducido mientras se activan bajo un voltaje de CC. [23] Esto permite que los polímeros dieléctricos se consideren para aplicaciones robóticas. Estos tipos de materiales también tienen una alta densidad de energía mecánica y pueden funcionar en el aire sin una disminución importante del rendimiento. Sin embargo, los polímeros dieléctricos requieren campos de activación muy altos (>10 V/μm) que estén cerca del nivel de ruptura.
Por otra parte, la activación de polímeros iónicos requiere solo 1-2 voltios. Sin embargo, necesitan mantener la humedad, aunque algunos polímeros se han desarrollado como activadores encapsulados autónomos que permiten su uso en entornos secos. [19] Los polímeros iónicos también tienen un bajo acoplamiento electromecánico. Sin embargo, son ideales para dispositivos biomiméticos.
Si bien existen muchas formas diferentes de caracterizar los polímeros electroactivos, aquí solo se abordarán tres: curva de tensión-deformación, análisis térmico mecánico dinámico y análisis térmico dieléctrico.
Las curvas de tensión-deformación proporcionan información sobre las propiedades mecánicas del polímero, como la fragilidad, la elasticidad y la resistencia a la fluencia. Esto se hace aplicando una fuerza al polímero a una velocidad uniforme y midiendo la deformación resultante. [24] En la Figura 4 se muestra un ejemplo de esta deformación. Esta técnica es útil para determinar el tipo de material (frágil, tenaz, etc.), pero es una técnica destructiva, ya que la tensión se incrementa hasta que el polímero se fractura.
El análisis mecánico dinámico es una técnica no destructiva que resulta útil para comprender el mecanismo de deformación a nivel molecular. En el DMTA se aplica una tensión sinusoidal al polímero y, en función de la deformación del polímero, se obtienen el módulo elástico y las características de amortiguamiento (suponiendo que el polímero es un oscilador armónico amortiguado ). [24] Los materiales elásticos toman la energía mecánica de la tensión y la convierten en energía potencial que puede recuperarse posteriormente. Un resorte ideal utilizará toda la energía potencial para recuperar su forma original (sin amortiguamiento), mientras que un líquido utilizará toda la energía potencial para fluir, sin volver nunca a su posición o forma original (amortiguamiento elevado). Un polímero viscoelástico exhibirá una combinación de ambos tipos de comportamiento. [24]
DETA es similar a DMTA, pero en lugar de una fuerza mecánica alterna, se aplica un campo eléctrico alterno. El campo aplicado puede provocar la polarización de la muestra y, si el polímero contiene grupos que tienen dipolos permanentes (como en la Figura 2), se alinearán con el campo eléctrico. [24] La permitividad se puede medir a partir del cambio de amplitud y se puede descomponer en componentes de almacenamiento y pérdida dieléctrica. El campo de desplazamiento eléctrico también se puede medir siguiendo la corriente. [24] Una vez que se elimina el campo, los dipolos se relajarán y volverán a adoptar una orientación aleatoria.
Los materiales EAP se pueden fabricar fácilmente en diversas formas debido a la facilidad de procesamiento de muchos materiales poliméricos, lo que los convierte en materiales muy versátiles. Una posible aplicación de los EAP es la integración en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para producir actuadores inteligentes.
Como la dirección de investigación práctica más prospectiva, los EAP se han utilizado en músculos artificiales . [25] Su capacidad para emular el funcionamiento de los músculos biológicos con alta tenacidad a la fractura , gran tensión de actuación y amortiguación de vibraciones inherente atrae la atención de los científicos en este campo. [5] Los EAP incluso se han utilizado con éxito para hacer un tipo de mano. [25]
En los últimos años, han surgido los "polímeros electroactivos para pantallas Braille actualizables" [26] para ayudar a las personas con discapacidad visual a leer rápidamente y comunicarse con la ayuda de una computadora. Este concepto se basa en el uso de un actuador EAP configurado en forma de matriz. Filas de electrodos en un lado de una película EAP y columnas en el otro lado activan elementos individuales en la matriz. Cada elemento está montado con un punto Braille y se baja aplicando un voltaje a través del espesor del elemento seleccionado, lo que provoca una reducción local del espesor. Bajo el control de la computadora, los puntos se activarían para crear patrones táctiles de altos y bajos que representan la información que se debe leer.
Las impresiones visuales y táctiles de una superficie virtual se muestran mediante una pantalla táctil de alta resolución, denominada "piel artificial" (Fig. 6). [28] Estos dispositivos monolíticos constan de una matriz de miles de moduladores multimodales (píxeles actuadores) basados en hidrogeles sensibles a estímulos. Cada modulador puede cambiar individualmente su transmisión, altura y suavidad. Además de su posible uso como pantallas gráficas para personas con discapacidad visual, estas pantallas son interesantes como teclas programables de paneles táctiles y consolas.
Los materiales EAP tienen un potencial enorme para la microfluídica, por ejemplo, como sistemas de administración de fármacos , dispositivos microfluídicos y laboratorios en un chip . Una primera tecnología de plataforma microfluídica descrita en la literatura se basa en geles sensibles a estímulos. Para evitar la electrólisis del agua, los dispositivos microfluídicos basados en hidrogeles se basan principalmente en polímeros sensibles a la temperatura con características de temperatura crítica de solución más baja (LCST), que se controlan mediante una interfaz electrotérmica. Se conocen dos tipos de microbombas, una microbomba de difusión y una microbomba de desplazamiento. [29] Las microválvulas basadas en hidrogeles sensibles a estímulos muestran algunas propiedades ventajosas, como tolerancia a partículas, ausencia de fugas y excelente resistencia a la presión. [30] [31] [32]
Además de estos componentes microfluídicos estándar, la plataforma de hidrogel también proporciona sensores químicos [33] y una nueva clase de componentes microfluídicos, los transistores químicos (también conocidos como válvulas quimiostáticas). [34] Estos dispositivos regulan el flujo de un líquido si se alcanza una concentración umbral de una determinada sustancia química. Los transistores químicos forman la base de los circuitos integrados fluídicos microquimiomecánicos. Los "CI químicos" procesan exclusivamente información química, se alimentan por sí mismos, funcionan automáticamente y son adecuados para la integración a gran escala. [35]
Otra plataforma microfluídica se basa en materiales ionoméricos . Las bombas fabricadas con ese material podrían ofrecer un funcionamiento a bajo voltaje ( batería ), un nivel de ruido extremadamente bajo, una alta eficiencia del sistema y un control sumamente preciso del caudal. [36]
Otra tecnología que puede beneficiarse de las propiedades únicas de los actuadores EAP son las membranas ópticas. Debido a su bajo módulo, la impedancia mecánica de los actuadores, se adaptan bien a los materiales de membrana óptica comunes . Además, un solo actuador EAP es capaz de generar desplazamientos que van desde micrómetros hasta centímetros. Por esta razón, estos materiales se pueden utilizar para la corrección de forma estática y la supresión de fluctuaciones. Estos actuadores también podrían usarse para corregir aberraciones ópticas debido a interferencias atmosféricas. [37]
Dado que estos materiales presentan un excelente carácter electroactivo, los materiales EAP muestran potencial en la investigación de robots biomiméticos , sensores de estrés y el campo de la acústica , lo que hará que los EAP se conviertan en un tema de estudio más atractivo en el futuro cercano. Se han utilizado para varios actuadores, como músculos faciales y músculos de los brazos en robots humanoides. [38]
El campo de los EAP está lejos de ser maduro, lo que deja varias cuestiones en las que aún es necesario trabajar. [5] El rendimiento y la estabilidad a largo plazo del EAP se deben mejorar mediante el diseño de una superficie impermeable al agua . Esto evitará la evaporación del agua contenida en el EAP y también reducirá la posible pérdida de los contraiones positivos cuando el EAP esté funcionando sumergido en un entorno acuoso . Se debe explorar la mejora de la conductividad de la superficie utilizando métodos para producir una superficie conductora libre de defectos. Esto podría hacerse posiblemente utilizando deposición de vapor de metal u otros métodos de dopaje. También puede ser posible utilizar polímeros conductores para formar una capa conductora gruesa. Sería deseable un EAP resistente al calor para permitir el funcionamiento a voltajes más altos sin dañar la estructura interna del EAP debido a la generación de calor en el compuesto de EAP. El desarrollo de EAP en diferentes configuraciones (por ejemplo, fibras y haces de fibras), también sería beneficioso, con el fin de aumentar el rango de posibles modos de movimiento.
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