Compositi ionici polimero-metallo - Ionic polymer–metal composites

Principio di attuazione IPMC
Attuazione IPMC, raccolta di energia e principi di rilevamento. Quando viene applicata una tensione (campo elettrico) agli elettrodi, i cationi coniugati e idrati carichi positivamente nella rete molecolare della membrana vengono respinti dall'anodo e migrano verso l'elettrodo negativo o il catodo portando con sé le molecole di acqua idrata. Questa migrazione crea un gradiente di pressione osmotica attraverso la membrana che fa piegare o deformare la striscia IPMC in modo spettacolare. D'altra parte, piegare o deformare meccanicamente le strisce IPMC fa sì che i cationi coniugati si muovano e questo crea un potenziale elettrico e una tensione di uscita e una corrente transitoria (raccolta di energia, modalità di rilevamento) basati sulle teorie di campo di Poisson-Nernst-Planck . Le molecole d'acqua idratata sono legate ai cationi mentre migrano. Tuttavia, se ci sono molecole di acqua sciolta non idratate trascinate con i cationi idrati come massa aggiunta verso l'anodo, una volta raggiunto l'equilibrio di flessione o deformazione le molecole di acqua sciolta tornano verso il catodo e si può osservare un certo rilassamento posteriore.

I compositi ionici polimero-metallo ( IPMC ) sono nanomateriali compositi sintetici che mostrano un comportamento muscolare artificiale sotto una tensione applicata o un campo elettrico. Gli IPMC sono composti da un polimero ionico come Nafion o Flemion le cui superfici sono placcate chimicamente o rivestite fisicamente con conduttori come platino o oro. Sotto una tensione applicata (1–5 V per campioni tipici di 10 mm x 40 mm x 0,2 mm), la migrazione e la ridistribuzione ionica dovute alla tensione imposta su una striscia di IPMC provocano una deformazione da flessione. Inoltre, gli IMPC possono essere idrogel ionico che viene immerso in una soluzione elettrolitica e collegato indirettamente al campo elettrico.

Se gli elettrodi placcati sono disposti in una configurazione non simmetrica, la tensione imposta può indurre una varietà di deformazioni come torsione, rotolamento, torsione, rotazione, vortice, vortice e deformazione a flessione non simmetrica. In alternativa, se tali deformazioni vengono applicate fisicamente a una striscia IPMC, generano un segnale di tensione di uscita (pochi millivolt per piccoli campioni tipici) come sensori e raccoglitori di energia. Gli IPMC sono un tipo di polimero elettroattivo . Funzionano molto bene in un ambiente liquido così come in aria. Hanno una densità di forza di circa 40 in una configurazione a sbalzo, il che significa che possono generare una forza di punta di quasi 40 volte il loro peso in una modalità a sbalzo. Gli IPMC in attuazione, rilevamento e raccolta di energia hanno una larghezza di banda molto ampia fino a kilo HZ e oltre. Gli IPMC sono stati introdotti per la prima volta nel 1998 da Shahinpoor, Bar-Cohen, Xue, Simpson e Smith (vedi riferimenti sotto) ma l'idea originale di attuatori e sensori a polimeri ionici risale al 1992-93 da Adolf, Shahinpoor, Segalman, Witkowski, Osada, Okuzaki, Hori, Doi, Matsumoto, Hirose, Oguro, Takenaka, Asaka e Kawami come illustrato di seguito:

1-Segalman DJ, Witkowski WR, Adolf DB, Shahinpoor M., "Teoria e applicazione dei gel polimerici a controllo elettrico", int. Journal of Smart Material and Structures, vol. 1, pp. 95-100, (1992)
2-Shahinpoor M., "Progettazione concettuale, cinematica e dinamica delle strutture robotiche per il nuoto che utilizzano muscoli ionici in gel polimerico", int. Journal of Smart Material and Structures, vol.1, pp. 91-94, (1992)
3-Y. Osada, H. Okuzaki e H. Hori, "Un gel polimerico con motilità azionata elettricamente", Nature, vol. 355, pp. 242–244, (1992)
4-Oguro K., Kawami Y.and Takenaka H.,"Piegatura di un composito di elettrodi a film polimerico a conduzione ionica mediante uno stimolo elettrico a bassa tensione", trad. J. Micro-Machine Society, vol. 5, pp. 27-30, (1992)
5-M. Doi, M. Marsumoto e Y. Hirose, "Deformazione di gel ionici da campi elettrici", Macromolecole, vol. 25, pp. 5504-5511, (1992)
6-Oguro, K., K. Asaka e H. Takenaka, "Attuatore a film polimerico guidato da bassa tensione", In Atti del 4° Simposio Internazionale di Micro Macchine e Scienze Umane ", Nagoya, pp. 38–40, (1993)
7-Adolf D., Shahinpoor M., Segalman D., Witkowski W.,"Attuatori di gel polimerici a controllo elettrico", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, brevetto statunitense n. 5.250.167, rilasciato 5 ottobre (1993)
8-Oguro K., Kawami Y. e Takenaka H., "Elemento attuatore", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, brevetto statunitense n. 5.268.082, rilasciato il 7 dicembre (1993)

Questi brevetti sono stati seguiti da altri brevetti correlati:


9-Shahinpoor, M., "Attuatore lineare in gel polimerico ionico caricato a molla", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, brevetto USA n. 5.389.222, rilasciato il 14 febbraio (1995)
10-Shahinpoor, M. e Mojarrad, M., "Attuatori morbidi e muscoli artificiali", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, brevetto degli Stati Uniti 6.109.852, rilasciato il 29 agosto (2000)
11-Shahinpoor, M. e Mojarrad, M., "Sensori e attuatori a polimeri ionici", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, n. 6.475.639, rilasciato 5 novembre (2002)
12-Shahinpoor, M. e Kim, KJ, "Metodo di fabbricazione di un muscolo sintetico polimerico elettroattivo a secco", Ufficio brevetti degli Stati Uniti, brevetto n. 7,276.090, rilasciato il 2 ottobre (2007)
Dovrebbe anche Va ricordato che Tanaka, Nishio e Sun introdussero il fenomeno del collasso del gel ionico in un campo elettrico:
13-T. Tanaka, I. Nishio e ST Sun, "Collapse of Gells in a Electric Field", Science, vol. 218, pp. 467-469, (1982)

Va anche detto che Hamlen, Kent e Shafer hanno introdotto la contrazione elettrochimica delle fibre polimeriche ioniche:

14-RP Hamlen, CE Kent e SN Shafer, "polimero contrattile attivato elettroliticamente", Nature, vol. 206, n. 4989, pp. 1140–1141, (1965)

Il merito dovrebbe essere esteso anche a Darwin G. Caldwell e Paul M. Taylor per i primi lavori sui gel stimolati chimicamente come muscoli artificiali:

15-Darwin G. Caldwell e Paul M. Taylor, "Attuazione pseudo-muscolare chimicamente stimolata", International Journal of Engineering Science, Volume 28, Issue 8, pp. 797-808, (1990)

Riferimenti

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