Compuestos iónicos de polímero y metal

Principios de actuación, captación de energía y detección de IPMC. Cuando se aplica un voltaje (campo eléctrico) a los electrodos, los cationes conjugados e hidratados con carga positiva en la red molecular de la membrana son repelidos por el ánodo y migran hacia el electrodo negativo o el cátodo llevando consigo las moléculas de agua hidratada. Esta migración crea un gradiente de presión osmótica a través de la membrana que hace que la tira de IPMC se doble o deforme de manera espectacular. ^[1] Por otro lado, doblar o deformar mecánicamente las tiras de IPMC hace que los cationes conjugados se muevan y esto crea un potencial eléctrico y un voltaje de salida y una corriente transitoria (captación de energía, modos de detección) basados ​​en las teorías de campo de Poisson-Nernst-Planck . Las moléculas de agua hidratada se unen a los cationes a medida que migran. Sin embargo, si hay moléculas de agua sueltas no hidratadas arrastradas con los cationes hidratados como masa agregada hacia el ánodo, una vez que se logra el equilibrio de flexión o deformación, las moléculas de agua sueltas fluyen de regreso hacia el cátodo y se puede observar cierta relajación posterior.

Los compuestos iónicos de polímero y metal ( IPMC ) son nanomateriales compuestos sintéticos que muestran un comportamiento muscular artificial bajo un voltaje o campo eléctrico aplicado. Los IPMC están compuestos de un polímero iónico como Nafion o Flemion cuyas superficies están revestidas químicamente o físicamente con conductores como platino u oro. Bajo un voltaje aplicado (1–5 V para muestras típicas de 10 mm × 40 mm × 0,2 mm ), la migración y redistribución de iones debido al voltaje impuesto a través de una tira de IPMC da como resultado una deformación por flexión. Además, los IPMC pueden ser hidrogeles iónicos que se sumergen en una solución electrolítica y se conectan al campo eléctrico indirectamente. ^[2]

Si los electrodos chapados se disponen en una configuración no simétrica, el voltaje impuesto puede inducir una variedad de deformaciones, como torsión, enrollamiento, giro, volteo, remolino y deformación por flexión no simétrica. Alternativamente, si tales deformaciones se aplican físicamente a tiras de IPMC, generan una señal de voltaje de salida (unos pocos milivoltios para muestras pequeñas típicas) como sensores y recolectores de energía. Los IPMC son un tipo de polímero electroactivo . Funcionan muy bien en un entorno líquido, así como en el aire. Tienen una densidad de fuerza de aproximadamente 40 en una configuración en voladizo, lo que significa que pueden generar una fuerza en la punta de casi 40 veces su propio peso en un modo en voladizo. Los IPMC en actuación, detección y recolección de energía tienen un ancho de banda muy amplio de kilo Hz y más. Los IPMC fueron introducidos por primera vez en 1998 por Shahinpoor, Bar-Cohen, Xue, Simpson y Smith (ver referencias a continuación), pero la idea original de los actuadores y sensores de polímeros iónicos se remonta a 1992-93 por Adolf, Shahinpoor, Segalman, Witkowski, Osada, Okuzaki, Hori, Doi, Matsumoto, Hirose, Oguro, Takenaka, Asaka y Kawami, como se muestra a continuación:

1-Segalman DJ, Witkowski WR, Adolf DB, Shahinpoor M., "Teoría y aplicación de geles poliméricos controlados eléctricamente", Int. Journal of Smart Material and Structures, vol. 1, págs. 95-100, (1992)
2-Shahinpoor M., "Diseño conceptual, cinemática y dinámica de estructuras robóticas de natación utilizando músculos iónicos de gel polimérico", Int. Journal of Smart Material and Structures, vol. 1, págs. 91-94, (1992)
3-Y. Osada, H. Okuzaki y H. Hori, "Un gel polimérico con movilidad impulsada eléctricamente", Nature, vol. 355, págs. 242–244, (1992)
4-Oguro K., Kawami Y. y Takenaka H., "Flexión de un compuesto de electrodo de película de polímero conductor de iones mediante un estímulo eléctrico a bajo voltaje", Trans. J. Micro-Machine Society, vol. 5, págs. 27–30, (1992)
5-M. Doi, M. Marsumoto e Y. Hirose, "Deformación de geles iónicos mediante campos eléctricos", Macromolecules, vol. 25, págs. 5504–5511, (1992)
6-Oguro, K., K. Asaka y H. Takenaka, "Polymer film actuator powered by low voltage", en Proceedings of the 4th International Symposium of Micro Machines and Human Science", Nagoya, págs. 38–40, (1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W., "Electrically Controlled Polymeric Gel Actuators", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de EE. UU. N.º 5.250.167, expedida el 5 de octubre de (1993)
8-Oguro K., Kawami Y. y Takenaka H., "Actuator Element", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de EE. UU. N.º 5.268.082, expedida el 7 de diciembre de (1993)

A estas patentes le siguieron otras patentes relacionadas:

9-Shahinpoor, M., "Actuador lineal de gel polimérico iónico accionado por resorte", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de EE. UU. N.º 5.389.222, expedida el 14 de febrero (1995)
10-Shahinpoor, M. y Mojarrad, M., "Actuadores blandos y músculos artificiales", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente de Estados Unidos N.º 6.109.852, expedida el 29 de agosto (2000)
11-Shahinpoor, M. y Mojarrad, M., "Sensores y actuadores de polímeros iónicos", Oficina de Patentes de EE. UU., N.º 6.475.639, expedida el 5 de noviembre (2002)
12-Shahinpoor, M. y Kim, KJ, "Método de fabricación de un músculo sintético polimérico electroactivo seco", Oficina de Patentes de EE. UU., Patente N.º 7.276.090, expedida el 14 de octubre (2003) 2,(2007)
También cabe mencionar que Tanaka, Nishio y Sun introdujeron el fenómeno del colapso de gel iónico en un campo eléctrico:
13-T. Tanaka, I. Nishio y ST Sun, "Colapso de geles en un campo eléctrico", Science, vol. 218, págs. 467–469, (1982)

También cabe mencionar que Hamlen, Kent y Shafer introdujeron la contracción electroquímica de fibras de polímeros iónicos:

14-RP Hamlen, CE Kent y SN Shafer, "Polímero contráctil activado electrolíticamente", Nature, vol. 206, núm. 4989, págs. 1140-1141, (1965)

También debemos reconocer el mérito a Darwin G. Caldwell y Paul M. Taylor por sus primeros trabajos sobre geles estimulados químicamente como músculos artificiales:

15-Darwin G. Caldwell y Paul M. Taylor, "Actuación pseudomuscular estimulada químicamente", International Journal of Engineering Science, volumen 28, número 8, págs. 797-808 (1990)

Referencias

1. Conjunto de compuestos de polímeros metálicos iónicos (IPMC), editor: Mohsen Shahinpoor, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2016, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-720-3
2. Duan, Xiangyu; Yu, Jingyi; Zhu, Yaxun; Zheng, Zhiqiang; Liao, Qihua; Xiao, Yukun; Li, Yuanyuan; Él, Zipán; Zhao, Yang; Wang, Huaping; Qu, Liangti (24 de noviembre de 2020). "Enfoque de hilatura a gran escala para diseñar fibras de hidrogel tejibles para robots blandos". ACS Nano . 14 (11): 14929–14938. doi :10.1021/acsnano.0c04382. ISSN  1936-0851. PMID  33073577. S2CID  224780407.

Enlaces externos

• M. Shahinpoor, Y. Bar-Cohen, JO Simpson y J. Smith "Compuestos de polímeros metálicos iónicos (IPMC) como sensores biomiméticos, actuadores y músculos artificiales: una revisión", Int. J. Smart Materials and Structures, vol. 7, n.º 6, págs. R15-R30, (1998)
• Shahinpoor, M.; Bar-Cohen, Y.; Xue, T.; Simpson, JO y Smith, J. "Compuestos iónicos de polímero y metal (IPMC) como sensores y actuadores biomiméticos", Actas del 5.º Simposio internacional anual de SPIE sobre estructuras y materiales inteligentes ^{[ enlace muerto permanente ]} , 1–5 de marzo de 1998, San Diego, California . Documento n.º 3324-27. ^{[ enlace muerto permanente ]}
• S. Nemat-Nasser y C. Thomas, "Actuadores de polímeros electroactivos (EAP) como músculos artificiales: realidad, potencial y desafíos", Compuestos ionoméricos de polímero y metal, editado por Bar-Cohen, SPIE, cap. 6 [139] 2001.
• Actuador IPMC

• KHAWWAF, Jasim, et al. Control de seguimiento robusto de un actuador IPMC utilizando un modo de deslizamiento de terminal no singular. Materiales y estructuras inteligentes, 2017, 26.9: 095042.