Polímero electroactivo

Un polímero electroactivo (EAP) es un polímero que presenta un cambio de tamaño o forma cuando es estimulado por un campo eléctrico. Las aplicaciones más habituales de este tipo de material son en actuadores y sensores. Una propiedad característica típica de un EAP es que sufrirá una gran deformación mientras soporta grandes fuerzas.

La mayoría de los actuadores históricos están hechos de materiales piezoeléctricos cerámicos. Si bien estos materiales son capaces de soportar grandes fuerzas, normalmente sólo se deforman una fracción de un por ciento. A finales de la década de 1990, se demostró que algunos EAP pueden presentar una tensión de hasta el 380 %, que es mucho más que cualquier actuador cerámico. Una de las aplicaciones más comunes de los EAP es en el campo de la robótica en el desarrollo de músculos artificiales; por lo tanto, un polímero electroactivo a menudo se denomina músculo artificial.

Historia

El campo de los EAP surgió en 1880, cuando Wilhelm Röntgen diseñó un experimento en el que probó el efecto de un campo electrostático en las propiedades mecánicas de una franja de caucho natural. La tira de goma estaba fijada en un extremo y unida a una masa en el otro. Luego se rociaron cargas eléctricas sobre el caucho y se observó que la longitud cambiaba. Fue en 1925 cuando se descubrió el primer polímero piezoeléctrico (Electret). Electret se formó combinando cera de carnauba, colofonia y cera de abejas, y luego enfriando la solución mientras se somete a una polarización eléctrica de CC aplicada. Luego, la mezcla se solidificaría formando un material polimérico que exhibiría un efecto piezoeléctrico.

Los polímeros que responden a condiciones ambientales distintas de una corriente eléctrica aplicada también han sido una gran parte de esta área de estudio. En 1949, Katchalsky et al. demostraron que cuando los filamentos de colágeno se sumergían en soluciones ácidas o alcalinas, respondían con un cambio de volumen. Se descubrió que los filamentos de colágeno se expandían en una solución ácida y se contraían en una solución alcalina. Aunque se han investigado otros estímulos (como el pH), debido a su facilidad y practicidad, la mayor parte de las investigaciones se han dedicado a desarrollar polímeros que respondan a estímulos eléctricos para imitar sistemas biológicos.

El siguiente gran avance en materia de EAP tuvo lugar a finales de los años 1960. En 1969, Kawai demostró que el fluoruro de polivinilideno (PVDF) exhibe un gran efecto piezoeléctrico. Esto despertó el interés de la investigación en el desarrollo de otros sistemas poliméricos que mostrarían un efecto similar. En 1977, Hideki Shirakawa et al. descubrió los primeros polímeros conductores de electricidad. Shirakawa, junto con Alan MacDiarmid y Alan Heeger, demostraron que el poliacetileno era conductor de electricidad y que, al doparlo con vapor de yodo, podían mejorar su conductividad en 8 órdenes de magnitud. Por tanto, la conductancia era cercana a la de un metal. A finales de la década de 1980 se había demostrado que otros polímeros exhibían un efecto piezoeléctrico o eran conductores.

A principios de la década de 1990, se desarrollaron compuestos iónicos de polímero-metal (IPMC) y se demostró que exhibían propiedades electroactivas muy superiores a los EAP anteriores. La principal ventaja de los IPMC era que podían mostrar activación (deformación) a voltajes tan bajos como 1 o 2 voltios. Esto es órdenes de magnitud menor que cualquier EAP anterior. No sólo la energía de activación de estos materiales era mucho menor, sino que también podían sufrir deformaciones mucho mayores. Se demostró que los IPMC exhiben hasta un 380% de tensión, órdenes de magnitud mayores que los EAP desarrollados anteriormente.

En 1999, Yoseph Bar-Cohen propuso la lucha de brazos del EAP Robotic Arm Against Human Challenge. Este fue un desafío en el que grupos de investigación de todo el mundo compitieron para diseñar un brazo robótico compuesto de músculos EAP que pudiera derrotar a un humano en una pulseada. El primer desafío se llevó a cabo en la Conferencia de Dispositivos y Actuadores de Polímeros Electroactivos en 2005. Otro hito importante en el campo es que Eamex en Japón produjo en 2002 el primer dispositivo desarrollado comercialmente que incluía EAP como músculo artificial. Este dispositivo era un pez que era capaz de nadar por sí solo, moviendo su cola mediante un músculo EAP. Pero el progreso en el desarrollo práctico no ha sido satisfactorio.

La investigación financiada por DARPA en la década de 1990 en SRI International y dirigida por Ron Pelrine desarrolló un polímero electroactivo utilizando silicona y polímeros acrílicos; En 2003, la tecnología se escindió en la empresa Artificial Muscle y la producción industrial comenzó en 2008. En 2010, Artificial Muscle se convirtió en una filial de Bayer MaterialScience.

Tipos

EAP puede tener varias configuraciones, pero generalmente se dividen en dos clases principales: dieléctrico e iónico.

Dieléctrica

Los EAP dieléctricos son materiales en los que la actuación es causada por fuerzas electrostáticas entre dos electrodos que comprimen el polímero. Los elastómeros dieléctricos son capaces de soportar tensiones muy altas y son fundamentalmente un condensador que cambia su capacitancia cuando se aplica un voltaje al permitir que el polímero se comprima en espesor y se expanda en área debido al campo eléctrico. Este tipo de EAP normalmente requiere un voltaje de actuación alto para producir campos eléctricos elevados (de cientos a miles de voltios), pero un consumo de energía eléctrica muy bajo. Los EAP dieléctricos no requieren energía para mantener el actuador en una posición determinada. Algunos ejemplos son los polímeros electroestrictivos y los elastómeros dieléctricos.

Polímeros ferroeléctricos

Los polímeros ferroeléctricos son un grupo de polímeros polares cristalinos que también son ferroeléctricos, lo que significa que mantienen una polarización eléctrica permanente que puede invertirse o conmutarse en un campo eléctrico externo. Los polímeros ferroeléctricos, como el fluoruro de polivinilideno (PVDF), se utilizan en transductores acústicos y actuadores electromecánicos debido a su respuesta piezoeléctrica inherente y como sensores de calor debido a su respuesta piroeléctrica inherente.

Polímeros de injerto electroestrictivos

Los polímeros de injerto electroestrictivos consisten en cadenas principales flexibles con cadenas laterales ramificadas. Las cadenas laterales de los polímeros principales vecinos se entrecruzan y forman unidades cristalinas. Las unidades cristalinas de la cadena principal y lateral pueden formar monómeros polarizados, que contienen átomos con cargas parciales y generan momentos dipolares, como se muestra en la Figura 2. Cuando se aplica un campo eléctrico, se aplica una fuerza a cada carga parcial y provoca la rotación del conjunto. unidad polimérica. Esta rotación provoca tensión electroestrictiva y deformación del polímero.

Polímeros cristalinos líquidos

Los polímeros cristalinos líquidos de cadena principal tienen grupos mesógenos unidos entre sí mediante un espaciador flexible. Los mesógenos dentro de una cadena principal forman la estructura de la mesofase haciendo que el propio polímero adopte una conformación compatible con la estructura de la mesofase. El acoplamiento directo del orden cristalino líquido con la conformación del polímero ha otorgado un gran interés a los elastómeros cristalinos líquidos de la cadena principal. La síntesis de elastómeros altamente orientados conduce a una actuación térmica de gran deformación a lo largo de la dirección de la cadena del polímero con variación de temperatura que da como resultado propiedades mecánicas únicas y aplicaciones potenciales como actuadores mecánicos.

Iónico

Los EAP iónicos son polímeros en los que la actuación es causada por el desplazamiento de iones dentro del polímero. Sólo se necesitan unos pocos voltios para el accionamiento, pero el flujo iónico implica una mayor potencia eléctrica necesaria para el accionamiento, y se necesita energía para mantener el actuador en una posición determinada. Ejemplos de EAPS iónicos son los polímeros conductores, los compuestos de polímero-metal iónico (IPMC) y los geles sensibles. Otro ejemplo más es un actuador de gel Bucky, que es una capa de material polielectrolítico soportada por polímero que consiste en un líquido iónico intercalado entre dos capas de electrodos que consisten en un gel de líquido iónico que contiene nanotubos de carbono de pared simple. El nombre proviene de la similitud del gel con el papel que se puede fabricar filtrando nanotubos de carbono, el llamado buckypaper.

Fluido electrorreológico

Los fluidos electrorheológicos cambian la viscosidad de una solución con la aplicación de un campo eléctrico. El líquido es una suspensión de polímeros en un líquido de bajo contenido dieléctrico. Con la aplicación de un gran campo eléctrico aumenta la viscosidad de la suspensión. Las posibles aplicaciones de estos fluidos incluyen amortiguadores, monturas de motor y amortiguadores acústicos.

Composite de polímero-metal iónico

Los compuestos de polímero iónico y metal consisten en una delgada membrana ionomérica con electrodos de metales nobles recubiertos en su superficie. También tiene cationes para equilibrar la carga de los aniones fijados a la estructura del polímero. Son actuadores muy activos que muestran una deformación muy alta a bajo voltaje aplicado y muestran baja impedancia. Los compuestos iónicos de polímero-metal funcionan mediante la atracción electrostática entre los contraiones catiónicos y el cátodo del campo eléctrico aplicado; en la Figura 3 se muestra una representación esquemática. Estos tipos de polímeros son los más prometedores para usos biomiméticos, ya que las fibras de colágeno son esencialmente compuesto de polímeros iónicos cargados naturales. Nafion y Flemion son compuestos metálicos de polímeros iónicos de uso común.

Geles sensibles a estímulos

Los geles que responden a estímulos (hidrogeles, cuando el agente hinchante es una solución acuosa) son un tipo especial de redes poliméricas hinchables con un comportamiento de transición de fase de volumen. Estos materiales cambian reversiblemente su volumen, propiedades ópticas, mecánicas y otras mediante alteraciones muy pequeñas de ciertos estímulos físicos (por ejemplo, campo eléctrico, luz, temperatura) o químicos (concentraciones). El cambio de volumen de estos materiales se produce por hinchamiento/contracción y se basa en la difusión. Los geles proporcionan el mayor cambio en el volumen de los materiales de estado sólido. Combinados con una excelente compatibilidad con las tecnologías de microfabricación, los hidrogeles especialmente sensibles a estímulos son de gran interés para los microsistemas con sensores y actuadores. Los campos actuales de investigación y aplicación son los sistemas de sensores químicos, los microfluidos y los sistemas de imágenes multimodales.

Comparación de EAP dieléctricos e iónicos

Los polímeros dieléctricos son capaces de mantener su desplazamiento inducido mientras se activan bajo un voltaje de CC. Esto permite considerar polímeros dieléctricos para aplicaciones robóticas. Este tipo de materiales también tienen una alta densidad de energía mecánica y pueden funcionar en el aire sin una disminución importante del rendimiento. Sin embargo, los polímeros dieléctricos requieren campos de activación muy altos (>10 V/μm) que están cerca del nivel de ruptura.

La activación de polímeros iónicos, por otro lado, requiere sólo 1-2 voltios. Sin embargo, necesitan mantener la humedad, aunque se han desarrollado algunos polímeros como activadores encapsulados autónomos que permiten su uso en ambientes secos. Los polímeros iónicos también tienen un bajo acoplamiento electromecánico. Sin embargo, son ideales para dispositivos biomiméticos.

Caracterización

Si bien hay muchas formas diferentes de caracterizar los polímeros electroactivos, aquí solo se abordarán tres: curva tensión-deformación, análisis térmico mecánico dinámico y análisis térmico dieléctrico.

Curva tensión-deformación

Las curvas de tensión y deformación proporcionan información sobre las propiedades mecánicas del polímero, como la fragilidad, la elasticidad y el límite elástico del polímero. Esto se hace proporcionando una fuerza al polímero a una velocidad uniforme y midiendo la deformación resultante. Un ejemplo de esta deformación se muestra en la Figura 4. Esta técnica es útil para determinar el tipo de material (frágil, tenaz, etc.), pero es una técnica destructiva ya que se aumenta la tensión hasta que el polímero se fractura.

Análisis térmico mecánico dinámico (DMTA)

Ambos análisis mecánico dinámico son una técnica no destructiva que es útil para comprender el mecanismo de deformación a nivel molecular. En DMTA se aplica una tensión sinusoidal al polímero y, en función de la deformación del polímero, se obtienen el módulo elástico y las características de amortiguación (suponiendo que el polímero es un oscilador armónico amortiguado). Los materiales elásticos toman la energía mecánica de la tensión y la convierten en energía potencial que luego puede recuperarse. Un resorte ideal utilizará toda la energía potencial para recuperar su forma original (sin amortiguación), mientras que un líquido utilizará toda la energía potencial para fluir, sin volver nunca a su posición o forma original (alta amortiguación). Un polímero viscoelástico exhibirá una combinación de ambos tipos de comportamiento.

Análisis térmico dieléctrico (DETA)

DETA es similar a DMTA, pero en lugar de una fuerza mecánica alterna, se aplica un campo eléctrico alterno. El campo aplicado puede provocar la polarización de la muestra y, si el polímero contiene grupos que tienen dipolos permanentes (como en la Figura 2), se alinearán con el campo eléctrico. La permitividad se puede medir a partir del cambio de amplitud y resolverse en componentes de pérdida y almacenamiento dieléctrico. El campo de desplazamiento eléctrico también se puede medir siguiendo la corriente. Una vez que se elimina el campo, los dipolos se relajarán nuevamente y adoptarán una orientación aleatoria.

Aplicaciones

Los materiales EAP se pueden fabricar fácilmente en varias formas debido a la facilidad de procesamiento de muchos materiales poliméricos, haciéndolos materiales muy versátiles. One potential application for EAPs is that they can potentially be integrated into microelectromechanical systems (MEMS) to produce smart actuators.

Musculos artificiales

Como la dirección de investigación práctica más prospectiva, los EAP se han utilizado en los músculos artificiales. Su capacidad para emular el funcionamiento de los músculos biológicos con alta dureza de fractura, gran cepa de accionamiento y amortiguación de vibración inherente atraen la atención de los científicos en este campo. EAPs incluso se han utilizado con éxito para hacer un tipo de mano.

Pantallas táctiles

En los últimos años, los "polímeros electroactivos para pantallas Braille actualizables" ha surgido para ayudar a las personas con discapacidad visual en la lectura rápida y la comunicación asistida por computadora. Este concepto se basa en el uso de un actuador EAP configurado en forma de matriz. Filas de electrodos en un lado de una película EAP y columnas en el otro activan elementos individuales en la matriz. Cada elemento está montado con un punto Braille y se baja aplicando un voltaje a lo largo del espesor del elemento seleccionado, provocando una reducción local del espesor. Bajo control por computadora, se activarían puntos para crear patrones táctiles de altibajos que representan la información a leer.

Las impresiones visuales y táctiles de una superficie virtual se muestran mediante una pantalla táctil de alta resolución, la denominada "piel artificial" (Figura 6). Estos dispositivos monolíticos constan de una serie de miles de moduladores multimodales (píxeles actuadores) basados en hidrogeles que responden a estímulos. Cada modulador es capaz de cambiar individualmente su transmisión, altura y suavidad. Además de su posible uso como pantallas gráficas para personas con discapacidad visual, estas pantallas son interesantes como teclas programables de forma gratuita en paneles táctiles y consolas.

Microfluidos

Los materiales EAP tienen un enorme potencial para microfluidos, p. como sistemas de administración de medicamentos, dispositivos de microfluidos y laboratorio en un chip. Una primera tecnología de plataforma de microfluidos reportada en la literatura se basa en geles que responden a estímulos. Para evitar la electrólisis del agua, los dispositivos microfluídicos a base de hidrogel se basan principalmente en polímeros sensibles a la temperatura con características de temperatura de solución crítica más baja (LCST), que están controlados por una interfaz electrotérmica. Se conocen dos tipos de microbombas, una microbomba de difusión y una microbomba de desplazamiento. Las microválvulas basadas en hidrogeles que responden a estímulos muestran algunas propiedades ventajosas, como tolerancia a las partículas, ausencia de fugas y una excelente resistencia a la presión. Además de estos componentes estándar de microfluidos, la plataforma de hidrogel también proporciona sensores químicos y una nueva clase de componentes de microfluidos, los transistores químicos (también conocidos como válvulas quimiostáticas). Estos dispositivos regulan el flujo de líquido si se alcanza un umbral de concentración de cierta sustancia química. Los transistores químicos forman la base de los circuitos integrados fluídicos microquimiomecánicos. "CI químicos" procesan exclusivamente información química, son autoalimentados energéticamente, funcionan automáticamente y pueden integrarse a gran escala.

Otra plataforma de microfluidos se basa en materiales ionoméricos. Las bombas fabricadas con ese material podrían ofrecer funcionamiento de bajo voltaje (batería), firma de ruido extremadamente baja, alta eficiencia del sistema y control altamente preciso del caudal.

Otra tecnología que puede beneficiarse de las propiedades únicas de los actuadores EAP son las membranas ópticas. Debido a su bajo módulo y a la impedancia mecánica de los actuadores, se adaptan bien a los materiales de membrana óptica comunes. Además, un solo actuador EAP es capaz de generar desplazamientos que van desde micrómetros hasta centímetros. Por este motivo, estos materiales se pueden utilizar para la corrección de forma estática y la supresión de fluctuaciones. Estos actuadores también podrían usarse para corregir aberraciones ópticas debidas a interferencias atmosféricas.

Dado que estos materiales exhiben un excelente carácter electroactivo, los materiales EAP muestran potencial en la investigación de robots biomiméticos, sensores de estrés y campo acústico, lo que hará que los EAP se conviertan en un tema de estudio más atractivo en el futuro cercano. Se han utilizado para varios actuadores, como los músculos de la cara y los músculos de los brazos en robots humanoides.

Direcciones futuras

El campo de los EAP está lejos de estar maduro, lo que deja varias cuestiones en las que aún es necesario trabajar. El rendimiento y la estabilidad a largo plazo del EAP deberían mejorarse diseñando una superficie impermeable al agua. Esto evitará la evaporación del agua contenida en el EAP y también reducirá la posible pérdida de contraiones positivos cuando el EAP esté funcionando sumergido en un ambiente acuoso. Se debe explorar la mejora de la conductividad de la superficie utilizando métodos para producir una superficie conductora libre de defectos. Esto posiblemente podría hacerse mediante deposición de vapor de metal u otros métodos de dopaje. También puede ser posible utilizar polímeros conductores para formar una capa conductora gruesa. Sería deseable un EAP resistente al calor para permitir el funcionamiento a voltajes más altos sin dañar la estructura interna del EAP debido a la generación de calor en el compuesto del EAP. El desarrollo de EAP en diferentes configuraciones (por ejemplo, fibras y haces de fibras) también sería beneficioso para aumentar el rango de posibles modos de movimiento.