Language
Country/Area
No result found
Từ năm 1880 đến nay: sự phát triển đáng ngạc nhiên của polyme hoạt tính điện hóa là gì?
Polyme điện hoạt (EAP) là loại polyme có thể thay đổi kích thước hoặc hình dạng khi phản ứng với kích thích từ trường điện. Ứng dụng điển hình nhất của loại vật liệu này là bộ truyền động và cảm biến. Một đặc tính đáng chú ý của EAP là chúng có thể chịu được biến dạng lớn khi chịu tác động của lực lớn. Trước đây, bộ truyền động chủ yếu được làm bằng vật liệu áp điện gốm, mặc dù có khả năng chịu được lực lớn nhưng thường bị biến dạng chưa đến một phần nghìn. Đến cuối những năm 1990, các nghiên cứu cho thấy một số EAP có thể đạt độ biến dạng lên tới 380%, vượt xa bất kỳ bộ truyền động gốm nào. Một ứng dụng quan trọng của EAP trong ngành robot là phát triển cơ nhân tạo, do đó, polyme hoạt động bằng điện thường được gọi là cơ nhân tạo.
Về mặt lịch sử, nghiên cứu về polyme hoạt động điện bắt đầu vào năm 1880, khi Wilhelm Roentgen thiết kế một thí nghiệm để kiểm tra tác động của trường tĩnh điện lên các tính chất cơ học của cao su thiên nhiên.
Một điện tích từ không khí được truyền vào một sợi dây cao su có một đầu cố định và người ta quan sát thấy sự thay đổi chiều dài của sợi dây. Năm 1925, polyme áp điện đầu tiên (điện môi) được phát hiện và nghiên cứu này đã đặt nền móng cho tương lai của EAP. Vật liệu này được tạo ra bằng cách trộn sáp carnaba, nhựa thông và sáp ong rồi làm mát dưới điện áp DC. Theo thời gian, phản ứng của polyme với các điều kiện môi trường cũng trở thành trọng tâm của lĩnh vực nghiên cứu này. Năm 1949, Kacharsky và cộng sự đã chứng minh rằng các sợi collagen biểu hiện sự thay đổi về thể tích trong dung dịch axit hoặc kiềm, điều này cũng thúc đẩy nghiên cứu về các kích thích khác.
Năm 1969, Kawai xác nhận rằng polyvinylidene fluoride (PVDF) có hiệu ứng áp điện mạnh, điều này đã khơi dậy sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong việc phát triển các loại polyme khác có hiệu ứng tương tự.
Năm 1977, lô polyme dẫn điện đầu tiên được Hideki Shiokawa và những người khác phát hiện. Độ dẫn điện của polyacetylene có thể tăng lên tám bậc độ lớn bằng cách pha tạp hơi iốt. Với phát minh ra vật liệu composite ionomer-kim loại (IPMC) vào đầu những năm 1990, sự phát triển của EAP đã bước sang một giai đoạn mới. Vật liệu này chỉ cần một đến hai vôn điện áp để tạo ra biến dạng, một đặc điểm cho thấy EAP có tiềm năng ứng dụng lớn hơn.
Năm 1999, Yousef Bar-Kohan đề xuất ý tưởng về cánh tay robot EAP cạnh tranh với con người và cuộc thi đầu tiên được tổ chức tại một hội nghị vào năm 2005. Năm 2002, công ty Eamex của Nhật Bản đã sản xuất thiết bị cơ nhân tạo EAP thương mại đầu tiên, một con cá có thể bơi độc lập, giúp đẩy nhanh quá trình phát triển EAP trong các ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, tiến độ thực tế của các công nghệ liên quan vẫn chưa đạt yêu cầu. Nghiên cứu được DARPA tài trợ vào những năm 1990 đã dẫn đến việc thành lập một công ty cơ nhân tạo vào năm 2003 và sản xuất công nghiệp vào năm 2008.
Các loại polyme điện hoạt
EAP có thể được chia thành hai loại đơn giản dựa trên cấu trúc của chúng: điện môi và ion.
EAP điện môi
Trong EAP điện môi, sự truyền động được gây ra bởi lực tĩnh điện giữa các điện cực. Chất đàn hồi điện môi có khả năng chịu biến dạng rất cao và hoạt động giống như tụ điện có điện dung thay đổi khi có điện áp.
Polyme áp điện
Lớp polyme này sử dụng hiệu ứng áp điện để tạo ra các cảm biến âm thanh và bộ truyền động động cơ và có nhiều ứng dụng do phản ứng áp điện nội tại của nó.
Polyme tinh thể lỏng
Polyme tinh thể lỏng chuỗi chính có cấu trúc chuỗi, có thể thể hiện các tính chất cơ học độc đáo khi chịu thay đổi nhiệt và có tiềm năng ứng dụng truyền động cơ học.
EAP ion
Loại polyme này hoạt động nhờ sự dịch chuyển các ion bên trong polyme, chỉ cần vài vôn nhưng công suất điện tương đối cao.
Hướng phát triển trong tương lai
Trong khi lĩnh vực EAP vẫn đang phát triển, vẫn còn nhiều thách thức cần được giải quyết. Một mặt, việc cải thiện hiệu suất và độ ổn định lâu dài của EAP và thiết kế bề mặt chống thấm nước để ngăn ngừa sự bốc hơi nước sẽ cải thiện hiệu quả độ tin cậy của nó trong nhiều môi trường khác nhau. Mặt khác, phát triển EAP có khả năng ổn định nhiệt để cải thiện khả năng hoạt động liên tục ở điện áp cao hơn cũng là một trong những trọng tâm nghiên cứu trong tương lai.
Trong bối cảnh tiến bộ liên tục này, công nghệ EAP sẽ có cơ hội được tích hợp vào ngày càng nhiều lĩnh vực ứng dụng trong tương lai, đặc biệt là ở giao diện giữa con người và máy móc. Với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ vật liệu, cùng với sự phát triển của công nghệ mô phỏng sinh học, chúng ta không khỏi tự hỏi polyme hoạt tính điện hóa sẽ mang lại những thay đổi đáng kinh ngạc nào trong tương lai?
