作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 纳米多孔PPy硅材料的合成
用吡咯电聚合填充的纳米多孔硅膜的高角度环形暗场扫描透射电镜俯视图
绿色和红色代码分别表示由EDX检测测量得到的氮和硅浓度
(二)在纳米多孔硅中电聚合吡咯过程中的电压-时间记录，平均孔径d和厚度t
正文中指出并讨论了各种特性
学分:科学进步，doi: 10
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aba1483 硅中压电现象的缺乏会导致主流半导体材料的直接机电应用
硅机械的集成电气控制可以为片上致动器开辟新的前景
在一份新的报告中，曼努埃尔·布林克和德国的一个物理、材料、显微镜和混合纳米结构研究小组，将单晶硅中的晶片级纳米多孔性结合起来，合成了一种复合材料，展示了在含水电解质中的宏观电致变色
电压-应变耦合比性能最好的陶瓷大三个数量级
Brinker等人
将电驱动追溯到每平方厘米1000亿纳米孔横截面的协同作用，并获得了异常小的工作电压(0
4比0
9伏)以及可持续和生物相容的基础材料，用于具有有前途的生物执行器应用的生物混合材料
这项工作现在发表在《科学进展》杂志上
开发嵌入电化学驱动的聚合物 导电聚合物聚吡咯(PPy)氧化过程中发生的电化学变化可以增加或减少聚合物主链中离域变化的数量
当浸入电解质中时，该材料伴随着可逆的反离子吸收或排出，伴随着宏观收缩以及在电势控制下的膨胀，使得PPy成为开发人工肌肉材料的最常见材料之一
在这项工作中，布林克尔等人
将致动器聚合物与纳米多孔硅的三维(3-D)支架结构结合，以设计用于嵌入式电化学致动的材料
新的结构包含一些轻而丰富的元素成分，包括氢、碳、氮、氧、硅和氯
在实验过程中，该团队使用氢氟酸中掺杂硅的电化学蚀刻工艺制备了多孔硅(pSi)膜
得到的孔在硅表面上是直的和垂直的
使用扫描电子显微镜剖面图
观察到均匀的样品厚度
然后，他们通过吡咯单体的电聚合用聚吡咯(PPy)填充多孔硅(pSi)膜
聚合物成核和pSi的部分氧化增加了开路电位，导致PPy在孔内不断沉积
高度不对称的孔形成链状聚合物生长，抑制聚合物的分支并导致较低的电阻
研究小组用透射电子显微照片和能量色散x光(EDX)光谱信号观察了所得的复合材料，表明随机pSi蜂窝结构的均匀PPy填充
通过吸附等温线进行结构表征，说明聚合池和说明电驱动装置
记录的纳米多孔硅在温度= 77 K时的氮吸附等温线
绘制的是相对蒸汽压力p/p0的体积填充分数f
插图描绘了最终的孔径分布
(二)用于PPy聚合的电化学电池
膜通过金层接触
电流通过铂反电极施加，而电压由作为伪参比电极的铂丝测量
(三)电驱动实验示意图
充满PPy的pSi膜浸入1M高氯酸(HClO4)中，并通过金层接触
电流施加在碳反电极之间，而电压由标准氢参比电极测量
右边部分表示电压为0
施加9 V，阴离子结合到PPy中，导致样品膨胀
反之亦然，中间部分的电压为0
施加4 V，排出阴离子，随后样品收缩
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aba1483 表征混合材料 为了表征所得杂化材料的功能
进行膨胀测量；在原位电化学装置中测量材料收缩或膨胀的热分析方法
他们将样品浸入高氯酸中，并将其定位，使孔隙指向水平方向
然后，研究小组将膨胀计的石英探针放在样品上，测量其长度，之后，他们将样品与高氯酸接触，进行电化学驱动实验
Brinker等人
在膨胀测量之前和期间，通过记录电位范围从0
4伏至0
9伏
pSi-PPy膜对PPy表现出电容充电特性，电流迅速向恒定值移动
他们没有施加更高的电压，以防止聚合物的过度氧化或部分破坏
研究小组记录了样本长度的变化，以便在记录循环伏安图时详细描述电化学驱动
电化学驱动实验
(一)在充满PPy(绿色)的pSi膜(灰色)上浸入含水电解质[高氯酸(蓝色和红色)和H2O(红色和白色)分子的电致动实验示意图]
左边的成品膜的尺寸是长度l0、宽度w和厚度t
中间部分说明了电压为0
施加4伏电压，ClO 4阴离子从PPy排出，导致样品收缩
反之亦然，在右边部分，电压为0
施加9 V，并结合阴离子，随后样品膨胀
长度的变化用δl表示
该图描绘了在1 M高氯酸电解液中的磅/平方英寸-PPy膜的示例性循环伏安法
电流j相对于测得的外加电势E与SHE作图
电位扫描速率为10 mV/s
(C)该图描绘了j的最大电流密度的平均值，该平均值相对于从10至50毫伏/秒变化的电位扫描速率dE/dt绘制
虚线表示数据点的线性回归，其产生电容c*作为斜率
右边描绘的是(D)五个有代表性的电势循环，(E)产生的体积电荷，和(F)纳米多孔膜引入的有效应变
学分:科学进步，doi: 10
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aba1483 阶跃库仑分析法 Brinker等人
然后执行分步库仑法，通过测量装置中消耗或产生的电量来分析驱动动力学和电解反应期间转化的物质的量
实验装置的应变响应比充放电过程快几乎一个数量级
有两种影响可能促成了这一观察
首先，在实验过程中，聚吡咯(PPy)可能已经达到其屈服极限，导致塑性变形
尽管通过微观力学分析发现聚合物中含有反离子，但整个样品不会进一步膨胀
其次，扩散限制可能阻碍了阴离子向PPy的更快转移，分子动力学模拟支持了动力学限制
科学家们还模拟了从同一区域材料的电子显微照片中提取的微观结构的微观力学特性，以了解PPy填充的pSi膜的电驱动机制
他们测量了空的PPy和PPy填充的pSi薄膜材料的宏观杨氏模量，以显示pSi网络的结构是如何控制材料的宏观刚度的
空的和PPy填充的pSi膜的杨氏模量
预测值是灰度阈值的函数
黑色曲线对应于空的pSi膜，蓝色曲线是针对PPy填充的pSi膜预测的
将pSi膜校准至测得的宏观杨氏模量E = 10 GPa，产生123的灰度阈值
学分:科学进步，doi: 10
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aba1483 改进了生物混合系统的功能 由于施加到整个多孔介质的电势，含水电解质/PPy(聚吡咯)系统中的内部机械膨胀压力有助于反离子移动到孔隙空间中
与压电材料相比，在这项工作中，使用生物相容的混合材料获得异常驱动的可能性要低得多，证明混合系统的功能得到了改善
通过这种方式，Manuel Brinker和他的同事将大型电化学驱动与多孔硅(pSi)的功能集成一起集成到主流半导体中，为电化学能量存储和水电解介质中的其他应用建立了通用和可持续的途径
这项工作扩展了以前结合经典压电致动器材料的方法，然而，与高性能压电陶瓷相反，该团队没有集成任何重金属，如铅(Pb)的功能
在这项工作中使用的材料是生物相容和生物可降解的，同时极小的功能电压适用于生物医学功能的驱动
从材料科学的角度来看，该研究显示了如何将固体中的自组织孔隙功能化，以设计坚固的三维机械材料，从而将纳米复合材料集成到宏观尺度的器件中
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