来源:Npj Computational Materials 发布时间:2020/6/10 13:30:28
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未来的人工肌肉:高性能磷烯机电驱动器|npj Computational Materials

论文标题:High-performance phosphorene electromechanical actuators

期刊:Npj Computational Materials

作者:Bozhao Wu, Hui-Xiong Deng et.al

发表时间:2020/05/20

数字识别码:10.1038/s41524-020-0297-6

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随着高龄化社会的来临,如何开发能模仿哺乳动物骨骼肌行为的人工肌肉引起了广泛关注,但这是一个长期的挑战。为了模拟自然肌肉,选定的人工肌肉材料必须能在相当快的反应下表现出显著的力学行为。迄今为止,经研究发现,可作类似肌肉的驱动材料有形状记忆合金、电子陶瓷和聚合物等。形状记忆有很高的功率密度,但变形不可预测,反应缓慢,这两点都是致命的缺点。电活性陶瓷具有快速响应,但其动作行程小于1%。尼龙等聚合物,可以在热刺激下产生较大的动作行程,但其性能受到驱动和松弛转变的低传热效率限制。随着对纳米驱动装置需求的不断增加和二维材料驱动器的发现,该领域的研究再次引起了人们极大的兴趣。

近年来,磷烯从其本体形态(黑磷)成功剥离制备后,其结构、性质及应用得到了大量研究。它具有显著的面内机械各向异性,这与石墨烯的面内弹性各向同性不同。理论计算表明,磷烯沿扶手椅和锯齿方向的断裂应变(拉伸刚度)分别高达30%(23 N/m)和27%(92.3 N/m),在高性能电机的开发中具有广阔的应用前景。但目前其机电性能的机理尚不明确。

图1

来自武汉大学的Ze Liu和高恩来教授等人,采用第一性原理计算方法,研究了原始磷烯的机电性能。他们发现,荷电诱导的磷烯最大驱动应变为36.6%,比石墨烯(4.7%)和硅烯(2.5%)的最大驱动应变大。同时,理论计算的体积功率密度远大于已研究的石墨烯。对其电子结构和原子结构的分析揭示了其优异的机电性能的机理。在此基础上,他们考察了复合机电载荷下的结构完整性,发现磷光体具有优良的机电驱动性能。磷烯的最大驱动应变、应力和体积功率密度分别高达36.6%、7.0 GPa和207.7 J/cm3。通过对原子结构、电子结构和力学的分析发现,电荷注入对单分子磷烯的电子性质有着重要影响:空穴注入增大了带隙,而电子注入缩小了带隙。最后,他们通过荷电磷烯的单轴实验证明了磷烯在复合机电载荷下具有显著的机械稳定性,在构建纳米机电驱动器方面具有广阔的应用前景。

相关论文发表在开放获取期刊npj Computational Materials上,欢迎点击“阅读原文”获取论文全文。

摘要:Phosphorene, a two-dimensional material that can be exfoliated from black phosphorus, exhibits remarkable mechanical, thermal, electronic, and optical properties. In this work, we demonstrate that the unique structure of pristine phosphorene endows this material with exceptional quantum-mechanical performance by using first-principles calculations. Upon charge injection, the maximum actuation stress is 7.0 GPa, corresponding to the maximum actuation strain as high as 36.6% that is over seven times larger than that of graphene (4.7%) and comparable with natural muscle (20–40%). Meanwhile, the maximum volumetric work density of phosphorene (207.7 J/cm3) is about three orders of magnitude larger than natural muscle (0.008–0.04 J/cm3) and approximately six times larger than graphene (35.3 J/cm3). The underlying mechanism of this exceptional electromechanical performance in phosphorene is well revealed from the analysis of atomic structure and electronic structure. Finally, the influence of charge on the mechanical behaviors of phosphorene is examined by mechanical tests, indicating the sufficient structural integrity of phosphorene under the combined electromechanical loading. These findings shed light on phosphorene for promising applications in developing nanoelectromechanical actuators.

(来源:科学网)

 
 
 
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