Advanced Materials:耐低温的自供电可解体重构再生电源的设计与供电机理

导读

自供电解体重构再生电源的设计灵感来源于自然界中的一些具有强大再生能力的生物,例如壁虎尾、蚯蚓、涡虫等。模仿这些生物的特征,可以制造出具有解体、重构、变形和再生的系列产品,如《超能陆战队》的磁解体重构微型机器人等。此外,解体重构变形机器人将是未来智能机器人发展的一个重要方向,而电能的供应在解体重构变形机器人中起着基础性的作用。但是基于电化学反应原理设计的电源在原理上存在着不可抗拒的缺陷,使其无法抵抗损伤、重构和再生。因此,设计一种自供电解体重构式再生电源通常被认为是一个难以克服的问题,对实验工作者和理论工作者都提出了挑战。鉴于此,研究人员研发了一种耐低温的自供电可解体重构再生电源,同时解体重构再生电源也首次被提出。在不久的将来,这项技术将极大地促进交通、建筑、智能工业等领域的广泛改革。

成果简介

近日,复旦与南邮团队首次研发了一种耐低温的自供电可解体重构再生电源。研究人员利用基于自由基聚合的聚丙烯酰胺水凝胶的制备和基于透析有效浓度差的离子扩散原理,模拟涡虫的再生,设计了一种放电相对稳定8.3小时的自供电可解体重构再生电源,并制作了一个自供电解体重构变形拱桥的简单模型。通过分子动力学模拟对其机理进行了系统的研究,该电源具有多种自供电可解体重构再生单元,可在冷冻温度和变温(0~25 ℃)条件下连续放电。此外,用分子动力学方法对H-C-L-A-H自供电电源单体凝胶中离子的选择性扩散进行了深入分析。作为一个假设的应用模型,制作了一座具有解体和重构功能的自供电可变形拱桥。未来,这种电源有望应用于假肢、仿生皮肤、植入式电源、手机、便携式计算机、可穿戴设备等。此外,随着稳定性和放电寿命的提高,它将应用于可重构智能机器人领域,可以促进智能工业自动化、智能建筑、智能交通系统、智能电力系统等领域的重大革命性突破。

图文简介

制备了含高浓度NaCl的聚丙烯酰胺水凝胶(简称“H凝胶”)和低浓度NaCl的聚丙烯酰胺水凝胶(简称“L凝胶”),以及用来控制电流稳定性的阳离子选择型水凝胶(缩写“C凝胶”)和阴离子选择型水凝胶(缩写“A凝胶”)。模仿涡虫的再生,设计了一种由H-C-L-A-H凝胶阵列组成的自供电电源,利用基于自由基聚合法的聚丙烯酰胺水凝胶制备可以让解体后电源模块实现再生。在H-C-L-A-H阵列中,两侧H凝胶中的Na+、Cl、H3O+和OH是基本传导离子,L凝胶是浓度差的引发源,C凝胶和A凝胶起电压门控离子通道的作用。

图1. 自供电解体重构再生电源的设计示意图。

含磺酸基的阳离子选择性凝胶的外观与核桃仁相似,含酰胺基的阴离子选择性凝胶呈现出沟壑纵横捭阖的特殊形态。由于盐含量的巨大差异,在干燥的高盐凝胶中可以在扫描电镜中轻易地观察到尺寸在100-200 nm之间的NaCl晶体,而在干燥的低盐凝胶中则很难观察到。此外,阳离子选择性凝胶的FT-IR结果暗示了边缘红外带位移受可交换阴离子基团的影响,阴离子选择性凝胶的阳离子基团也引起了边缘红外带位移。

图2. H-C-L-A-H电源及其解体电源的电压-电流-时间关系。

维持H-C-L-A-H自供电电源处于冷冻温度时,在H-C-L-A-H自供电电源中主要发生的过程为NaCl的电离,并伴随着Na+和Cl-从高浓度侧向低浓度侧扩散。同时,H-C-L-A-H自供电电源中也会发生H2O的离子化和H+、OH-的扩散。由于离子扩散的方向在整个过程中保持不变,所以总电流总是呈下降趋势。因此,可以看出这种H-C-L-A-H自供电电源具有优异的耐寒性,可以在冰点温度下继续工作。H-C-L-A-H自供电电源在室温(25℃)下从冻结温度开始自然解冻,NaCl的电离首先导致电流由高到低降低,电压变化与冻结温度基本相同。随着解冻的进展,水的透析和离子化也逐渐发挥作用。电流降到最低点后,开始迅速增加,电压也迅速增加。当电流达到最大值时,它开始逐渐减小。由此可见,这种H-C-L-A-H自供电电源对变温的适应性非常好,能够在从冷冻温度到室温的自然解冻的特殊条件下连续工作。

图3. C, A, H, L四种凝胶的形态和结构。

分子动力学方法分析了H-C-L-A-H自供电电源单体凝胶中离子的选择性扩散。在适当的低温条件下,Na+、Cl、OH和H3O+在H、C、L和A凝胶中的离子扩散较好,这主要是因为温度的降低会减缓H、C、L和A凝胶中带电官能团的振动频率,从而减少自由离子的吸附或排斥。

图4. 298 K下NPT和NVT前后H-A-L-C-H自供电解体重构再生电源分子动力学模拟中离子扩散示意图。

为了展示这种H-C-L-A-H再生自供电电源的发展前景,作者制作了带有磁铁的拱桥模型,并演示了H-C-L-A-H再生自供电电源的放电行为。此外,随着电源的自供电能力的增强,当它与其他伙伴连接起来时,事情会变得更有趣一些,它们遇到水时可以架桥,遇到山时可以攀岩,就像在平地上行走一样。

图5. 自供电解体重构再生电源的拱桥简化模型和潜在应用。

小结

作者利用自由基聚合法制备聚丙烯酰胺水凝胶,利用透析有效浓度差的离子扩散原理模拟涡虫的再生,设计了一种相对稳定的自供电解体式重构再生电源放电8.3小时,制作了一个具有解体重构功能的自供电变形拱桥简化模型。该电源具有多种分解重构再生单元,可在冷冻温度和变温(0~25℃)下连续放电。此外,利用分子动力学方法对H-C-L-A-H自供电电源单体凝胶中离子的选择性扩散进行了深入分析。在不久的将来,这种可重构、可再生的电源不仅将推动可重构机器人在交通、建筑、智能工业等领域的广泛应用,也将推动可重构机器人的诞生。这种可再生能源的科学价值和应用前景将是无限的。

论文信息:

Design and Mechanism of a Self-Powered and Disintegration–Reorganization–Regeneration Power Supply with Cold Resistance

Hanqing Dai, Yuanyuan Chen, Wenqing Dai, Zhe Hu, Min Li, Wanlu Zhang, Fengxian Xie, Wei Wei*, Ruiqian Guo*, Guoqi Zhang*

Advanced Materials

DOI: 10.1002/adma.202101239

原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202101239