[发明专利]纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法

说明书

本发明公开了一种纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法，该驱动器包括柔性导体材料的沉积基底和沉积在沉积基底上的驱动薄膜；该制备方法利用高能激光束轰击实现靶材从固态—等离子态—固态的转变，从而可在不同基底上形成纳米颗粒团聚型纳米多孔驱动薄膜。通过调控靶基间距、基底转速、沉积温度等制备条件，可获得颗粒粒径可控的纳米多孔电化学驱动器。克服了传统电化学驱动器不可兼顾响应速率与变形能力的不足；通过缩短离子嵌入路径、提升离子吸附能力，驱动速率与变形幅值得以同步提升。本发明驱动器响应速率快、驱动幅值高、载物驱动能力强、工艺简单且成本低廉，其可推动电化学驱动器在小型医疗器械、微纳机电系统等领域的应用。

技术领域

本发明涉及电化学驱动技术领域，特别涉及一种高性能的纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法。

背景技术

电化学驱动器可在低电压作用下通过发生化学反应而产生机械能。相较于其他类型的驱动器而言，电化学驱动器的驱动电压更低且能量输出更高，故其在人造肌肉、智能机器人以及微纳机电系统等领域有着广泛的应用前景。对于电化学驱动器而言，响应速率与变形能力是两个至关重要但又相互对立的参数。更具体地说，低模量的凝胶或导电聚合物类电化学驱动器虽然有着出色的变形能力，但其响应速率极慢；相较而言，碳纳米材料电化学驱动器有着较快的响应速率，但其变形能力受限于高模量的影响而不能充分发挥；其二者的同步提升也成为了电化学驱动领域的一大挑战。仅通过选取新材料或杂化不同特性的材料很难实现响应速率与变形幅值的同步提升。

对于双层结构(驱动薄膜—基底)的电化学驱动器而言，其驱动行为源自于离子嵌入引起的活性层膨胀效应与基底提供的约束效应之间的相互作用。因此，电化学驱动器的响应速率与变形能力分别取决于离子在活性层中的扩散速率与活性层吸附离子的能力。近年的研究结果表明，材料在纳观尺度上会表现出更出色的力学与电化学特性。由此，调控电化学驱动器的纳观结构便成了解决这一巨大挑战的可行方法。传统的电化学驱动器多为单层纳米片结构或多层纳米片堆叠结构，这些结构很大程度上封闭了离子的嵌入通道；此外，离子在上述结构中的扩散路径也过长且不易控制。

球形纳米颗粒团聚型纳米多孔结构可以增大材料的比表面积，为离子提供更多的嵌入通道。此外，该结构可为离子提供最短的扩散路径。除了提升离子嵌入的速率与效率，该电化学驱动器的力学性能还能通过调节制备参数得以改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能的纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器及其制备和测试方法，以解决背景技术中所述的响应速率与变形能力不可同时提升的技术问题。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种纳米颗粒团聚型纳米多孔电化学驱动器，其特征在于，为双层薄膜结构，包括柔性导体材料的沉积基底和沉积在沉积基底上的驱动薄膜，所述驱动薄膜由纳米颗粒团聚而成，通过团聚、沉积不同粒径的纳米颗粒来实现纳米多孔结构；所述驱动薄膜与沉积基底的厚度比应满足(0.3～1)：1；在电化学反应中，当有离子嵌入驱动薄膜时，驱动薄膜会发生体积膨胀；而沉积基底不受离子嵌入的影响，无体积膨胀；驱动薄膜中离子嵌入诱发的体积膨胀效应与沉积基底对其的约束效应之间会发生相互作用，因而使得双层薄膜结构发生弯曲、实现驱动效果。

进一步的，所述的柔性导体材料包括铝箔、银箔、金箔等金属箔材或镀有导电电极的聚合物薄膜。所述的纳米多孔驱动薄膜由过渡金属硫化物、金属或碳纳米颗粒中的任一种或多种团聚生长而成。