新型“瓶刷”电活性聚合物使介电弹性体在设备中越来越可行gydF4y2Ba

立即发布gydF4y2Ba

理查德SpontakgydF4y2Ba rich_spontak@ncsu.edugydF4y2Ba 919.515.4200gydF4y2Ba

谢尔盖SheikogydF4y2Ba sergei.unc.edugydF4y2Ba 919.843.5270gydF4y2Ba

马特·希普曼gydF4y2Ba matt_shipman@ncsu.edugydF4y2Ba 919.515.6386gydF4y2Ba

一个多机构研究小组开发了一种新的电活性聚合物材料，当暴露在相对较小的电场时，可以改变形状和大小。这一进展克服了电活性聚合物开发新设备方面的两个长期挑战，为一系列应用打开了大门，从微机器人到设计触觉、光学、微流控和可穿戴技术。这项研究是由北卡罗来纳州立大学、北卡罗来纳大学教堂山分校、卡内基梅隆大学和阿克伦大学的研究人员完成的。gydF4y2Ba

“就可达到的应变而言，介电弹性体是响应最灵敏的电活性聚合物，但两大障碍有效地阻止了智能材料社区在商业设备中使用它们。”化学与生物分子工程特约教授、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授Richard J. Spontak说，他与人合著了一篇描述这种新材料的论文。“首先，以前的介电弹性体需要较大的电场来触发驱动或运动——至少是每毫米100千伏(kV/mm)。用我们的新材料，我们可以看到驱动水平低到gydF4y2BacagydF4y2Ba．10 kV /毫米。”gydF4y2Ba

“第二个挑战是，在此之前，材料必须是预拉伸的，”Spontak说。“这可能意味着使用框架来对材料进行物理应变，或者在聚合物中添加第二种成分来保留施加后的应变。但我们的材料由一个单一的组件组成，它是在分子水平上特别设计的，天生具有预张力。换句话说，我们不需要框架或第二个组件——我们的材料一旦交联成特定形状就可以使用了。”gydF4y2Ba

实现这一突破的新材料是一种“瓶刷”有机硅弹性体，这种材料经过设计具有这些独特的性能，而且制造起来并不困难。gydF4y2Ba

“我们正在专门研究瓶刷聚合物，这种聚合物是通过将长聚合物侧链接枝到聚合物主链上制备的，”北卡罗来纳大学杰出化学教授、该论文的通讯作者Sergei S. Sheiko, George a . Bush, Jr.说。“由此产生的分子可以被看作是很厚的细丝，但仍然相当灵活，这使得材料的刚性大大降低，使它们更具有延展性。”此外，可以通过改变瓶刷结构来控制机械性能，例如，通过制备不同接枝链聚合程度和不同接枝密度的分子。gydF4y2Ba

Sheiko说:“这种结构对力学性能的控制将干聚合物材料的刚度极限降低了1000倍，可扩展性最高可达8倍，并开辟了新的应用领域，这在硬质材料或液体组分材料中是无法实现的。”“这些应用之一——它们作为独立介质弹性体的使用——已经得到了证明，我们在本文中对此进行了讨论。”gydF4y2Ba

Spontak说:“我们正处于确定使用这种新型材料的所有潜在方式的早期阶段。”“它比预期的要好，现在我们开始考虑潜在的应用。”gydF4y2Ba

纸”,gydF4y2Ba瓶刷弹性体:一种新的独立电驱动平台gydF4y2Ba发表在杂志上gydF4y2Ba先进材料gydF4y2Ba．该论文的主要作者是北卡大学的博士后研究员Mohammad Vatankhah-Varnoosfaderani。该论文由北卡大学的William F. M. Daniel、Alexandr P. zhuhma、qioxi Li和Benjamin J. Morgan共同撰写;北卡罗来纳州的丹尼尔·阿姆斯特朗(Daniel P. Armstrong);卡耐基梅隆大学的Krzysztof Matyjaszewski;阿克伦大学的安德烈·v·多勃雷宁。这项工作得到了美国国家科学基金会DMR 1122483、DMR 1407645、DMR 1436201和DMR 1409710以及Becton Dickinson Technologies的支持。gydF4y2Ba

希普曼-gydF4y2Ba

编辑:gydF4y2Ba研究摘要如下。gydF4y2Ba

瓶刷弹性体:独立式电驱动的新平台gydF4y2Ba

作者gydF4y2Ba: Mohammad Vatankhah-Varnoosfaderani, William F. M. Daniel, Alexandr P. zhuhma, Qiaoxi Li, Benjamin J. Morgan and Sergei S. Sheiko, University of North Carolina, Chapel Hill;卡耐基梅隆大学的Krzysztof Matyjaszewski;北卡罗来纳州立大学的丹尼尔·p·阿姆斯特朗和理查德·j·斯Spontak;Andrey V. Dobrynin，阿克伦大学gydF4y2Ba

发表gydF4y2Ba: 11月8日gydF4y2Ba先进材料gydF4y2Ba

DOIgydF4y2Ba: 10.1002 / adma.201604209gydF4y2Ba

文摘:gydF4y2Ba电介质弹性体(DEs)具有大冲程、快速响应和高能量密度的良好组合，是人工肌肉的领先技术。然而，在较大的驱动下，DEs容易由于机电不稳定而自发破裂。目前，化学或物理支撑可以解决这一缺点，这增加了整个驱动器组件的体积，导致设备效率和效用的显著降低。现在，我们提出了一个分子设计平台，用于创建独立驱动器，允许在低应用领域(<10 V)大行程(>300%)gydF4y2BaμgydF4y2Ba米gydF4y2Ba^{－1gydF4y2Ba})的无约束铸态形状。这种方法基于瓶刷结构，其特点是固有的张力聚合物网络，消除机电不稳定性和支撑的需要。通过准确独立控制侧链的聚合度(DP)gydF4y2BangydF4y2Ba_scgydF4y2Ba)，相邻侧链间距DP (gydF4y2BangydF4y2Ba_ggydF4y2Ba)，以及瓶刷网络链骨干DP (gydF4y2BangydF4y2Ba_xgydF4y2Ba)，我们获得了与商业驱动器相当的有效驱动性能，具有重量更轻、操作电压更低和易于制造的优势，这为软物质机器人打开了新的机遇。gydF4y2Ba