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Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 18264 (2022) Citar este artículo

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El 9 de diciembre de 2022 se publicó una corrección del editor de este artículo.

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Se sabe que el almacenamiento de microenergía, que es conveniente para la combinación con la recolección de energía, se realiza mediante microencapsulación con varios materiales de cubierta, su aplicación se limita a la tierra. Aquí, logramos fabricar una matriz de microcápsulas de silicona que encapsula un electrolito líquido iónico que puede almacenar energía diminuta en una solución de NaCl, así como también un método de generación de energía diminuta. El caucho de silicona irradiado con láser excimer ArF debajo de las microesferas de sílice se hinchaba fotoquímica y periódicamente mediante la fotodisociación de la silicona. Acompañadas por los microhinchazones, las siliconas de menor peso molecular generadas fueron expulsadas a lo largo de una curvatura de cada microesfera para encerrar las microesferas. Después del grabado químico, las matrices de microcápsulas de silicona se volvieron huecas. Además, cada microcápsula de silicona hueca podría atrapar un líquido iónico en el vacío. Además, las microcápsulas de silicona antes y después del líquido iónico encapsulante mostraron una propiedad superhidrofóbica o casi superhidrofóbica. Como resultado, las matrices de microcápsulas de silicona podrían estar confinadas en un espacio de aire uniforme de región aislada eléctricamente en solución de NaCl. Esto significa que cada microcápsula de silicona que encapsula líquido iónico como electrolitos permite funcionar como un condensador eléctrico de doble capa para el almacenamiento de microenergía, con el objetivo de conectarse con dispositivos de Internet de las Cosas que funcionan bajo el agua de mar.

La microencapsulación tiene una larga historia, comenzando con la creación de células vivas. La mayoría de las plantas o animales unicelulares son ejemplos vivos de microencapsulación1. Las funciones más importantes de la microencapsulación son la protección de las sustancias internas y el control del flujo de sustancias a través de la membrana celular. Por otro lado, un papel de copia sin carbón fue un ejemplo temprano de aplicación artificial exitosa de microencapsulación2. Actualmente, la microencapsulación se puede definir como un proceso en el que pequeñas partículas o gotitas del agente activo se rodean de un recubrimiento o se incrustan en un material polimérico, para dar lugar a pequeñas cápsulas que pueden variar desde submicras hasta varios milímetros con muchas propiedades útiles3. El material encerrado representa el núcleo, y el material que cubre alrededor del núcleo se denomina capa o pared de la capa.

La microencapsulación también es una tecnología importante desde la perspectiva del micro/nanoprocesamiento de materiales y ha progresado para expandir sus aplicaciones en los últimos años4,5. Las razones para requerir la microencapsulación no son las mismas, pero básicamente se necesita para aislar un material del núcleo de su entorno, además de liberarlo cuando y donde se necesite. Una de las aplicaciones que hace buen uso de sus características es un sistema de administración de fármacos6. El sistema de administración de fármacos es para controlar la distribución de fármacos en el cuerpo cuantitativa, espacial y temporalmente. Se han informado numerosas microencapsulaciones diferentes para sistemas de administración de fármacos7,8,9. Como otra aplicación efectiva, la tecnología se utiliza para la autorreparación para desarrollar métodos de recubrimiento únicos10,11,12. En cualquier caso, la pared de la carcasa debe romperse en el momento del uso. Por otro lado, la microencapsulación también se puede utilizar para el almacenamiento de materiales como micro/nanocontenedores13,14. En astronomía, en la muestra devuelta del asteroide Ryugu, se encontró que una materia orgánica rica en carbono alifático se concentraba en minerales de silicato hidratado de grano grueso. Esto significa que los minerales de silicato hidratado de grano grueso como una pared de concha se convirtieron en cunas de materia orgánica y agua y fueron transportados a la tierra intactos15. Para la aplicación de energía, los materiales de cambio de fase se han encerrado en varias paredes de armazón para el almacenamiento de energía térmica16,17,18,19,20. En este caso, sin embargo, las microcápsulas fabricadas están básicamente separadas e independientes. Además, en algunos informes, parece ser difícil controlar la forma y el tamaño de manera uniforme.

En este documento, una forma y tamaño uniformes de matrices de microcápsulas de silicona esféricas huecas se fabrican con éxito en un caucho de silicona mediante la fotodisociación de caucho de silicona inducida por láser excimer ArF de 193 nm. Además, cada microcápsula de silicona hueca fabricada puede atrapar un líquido iónico en el vacío. Como las matrices de microcápsulas de silicona fabricadas antes y después de que el líquido iónico de encapsulación se fijen al caucho de silicona, las superficies de la muestra muestran una propiedad superhidrofóbica o casi superhidrofóbica. Como resultado, las matrices de microcápsulas de silicona que encapsulan el líquido iónico como electrolitos se pueden confinar en un espacio de aire uniforme de región eléctricamente aislada en solución acuosa de cloruro de sodio (NaCl), para aplicaciones de almacenamiento de microenergía. De hecho, en base a la diferencia de potenciales electroquímicos, una combinación de nuestro método anterior21 permite generar voltajes eléctricos simultáneamente en el entrehierro. Luego, el voltaje generado podría conectarse eléctricamente a las microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan el electrolito líquido iónico en el mismo espacio de aire para almacenar la energía eléctrica diminuta.

El presente trabajo se basa en nuestros hallazgos previos22,23,24,25. Cuando el láser excimer ArF irradió la superficie de caucho de silicona, la cadena principal de enlaces Si-O-Si del caucho de silicona podría fotodisociarse en las moléculas bajas, lo que resultó en la microhinchazón del área irradiada con láser de la siguiente manera:

Para fabricar los microhinchazones periódicos, se utilizaron microesferas de vidrio de sílice con un diámetro de 2,5 μm, que cubrieron toda la superficie del caucho de silicona durante la irradiación con láser. Cada caucho de silicona microhinchado debajo de las microesferas de vidrio de sílice alineadas mostró una forma de cono truncado en tamaño micrométrico y se alineó a intervalos regulares de aproximadamente 2,5 µm. En este documento, se encuentra que las siliconas de menor peso molecular que se generan por la fotodisociación se expulsan de los microhinchazones periódicos durante la irradiación con láser a lo largo de una curvatura de cada microesfera para encerrar las microesferas. Como resultado, las matrices de microcápsulas de silicona esféricas huecas después del grabado químico de las microesferas encerradas pueden fabricarse en las estructuras de microhinchamiento periódico de caucho de silicona, como microcontenedores. Las siliconas son uno de los materiales útiles para la pared de la cubierta debido a sus diversas buenas propiedades26,27,28.

Por lo tanto, la originalidad de este documento se puede expresar de la siguiente manera: proceso de fabricación novedoso de matrices de microcápsulas de silicona esféricas huecas sobre caucho de silicona; encapsulación de líquido iónico como electrolitos en las microcápsulas de silicona esféricas huecas; una propiedad casi superhidrofóbica que se mostró en las matrices de microcápsulas de silicona que encapsulaban el líquido iónico; confinamiento de las matrices de microcápsulas de silicona que encapsulan el líquido iónico en un espacio de aire de la región aislada eléctricamente bajo una solución acuosa de NaCl; generación simultánea de voltaje de 0,5 a 0,9 V en el mismo espacio de aire para suministrar la energía eléctrica mínima a las matrices de microcápsulas de silicona que encapsulan el líquido iónico. Lo que este documento aporta de nuevo en comparación con lo que ya existe es que podemos proporcionar un dispositivo que combina el almacenamiento de microenergía y la recolección de energía que se puede usar en el agua de mar.

La Figura 1 muestra el dibujo esquemático del procedimiento experimental. Se tomó una cantidad apropiada de microesferas de vidrio de sílice con un diámetro de aproximadamente 2,5 µm (Nippon Shokubai KE-P250) y se colocó sobre una goma de silicona de 2 mm de espesor de aproximadamente 12 × 12 mm2. Luego, las microesferas se nivelaron con un papel de envolver para medicamentos. Por lo tanto, se formó una sola capa de microesferas de vidrio de sílice sobre el caucho de silicona (Fig. 1a). La muestra se colocó en la parte superior del vaso de precipitados sellado hecho de una resina de fluorocarbono que contenía una solución acuosa de fluoruro de hidrógeno (HF) de 46 a 48 % de concentración, y las microesferas de vidrio de sílice alineadas que miran hacia la solución acuosa de HF se grabaron químicamente a diámetros de aproximadamente 2,0–2,3 µm por exposición al gas HF (Fig. 1b).

Dibujo esquemático del procedimiento experimental: (a) alineación de microesferas de vidrio de sílice, (b) grabado químico previo de microesferas de vidrio de sílice para reducir el diámetro de 2,5 a 2,0 a 2,3 μm mediante exposición a gas HF, (c) preláser irradiación para soldar fotoquímicamente microesferas de vidrio de sílice a caucho de silicona, (d) irradiación láser para fabricar microcápsulas y estructuras de microhinchamiento en caucho de silicona, (e) grabado químico de microesferas de vidrio de sílice encerradas mediante exposición a gas HF, y (f) encapsulación de líquido iónico en las microcápsulas de silicona huecas fabricadas al vacío.

La muestra se colocó aproximadamente a 80 mm de la salida del láser excimer ArF (Coherent COMPexPro110). La trayectoria del rayo láser se llenó con gas nitrógeno a una velocidad de flujo de 5 L/min para evitar una fuerte absorción óptica de las moléculas de oxígeno en el aire. Para evitar que se altere la disposición de las microesferas alineadas durante la irradiación con láser, el láser excimer ArF irradió previamente la superficie de la muestra con una fluencia de pulso única de aproximadamente 30 mJ/cm2 y con un número de pulso de 100 (Fig. 1c). La tasa de repetición de pulsos fue de 1 Hz constante. Por lo tanto, la fotodisociación de los enlaces Si-O-Si del caucho de silicona debajo de las microesferas comenzó a ocurrir y las microesferas pudieron soldarse fotoquímicamente al caucho de silicona29. Luego, el láser excimer ArF irradió nuevamente la superficie de la muestra previamente irradiada con una fluencia de pulso único de 35–40 mJ/cm2 y con un número de pulso de 1800 para fabricar las microcápsulas y las estructuras de microhinchazón (Fig. 1d). Todas las irradiaciones láser se realizaron a temperatura ambiente.

Después de la irradiación con láser, las microesferas de vidrio de sílice encerradas en las microcápsulas de silicona fabricadas se grabaron químicamente mediante la exposición al gas HF (Fig. 1e). Una pequeña cantidad del líquido iónico de 1-butil-3-metilimidazolio bis(trifluorometanosulfonil)imida (Kanto Chemical) se goteó sobre las microcápsulas de silicona huecas fabricadas, luego la muestra se colocó al vacío. Como resultado, el líquido iónico podría penetrar en las microcápsulas de silicona huecas y las microcápsulas podrían retener el líquido iónico de manera estable no solo en el vacío sino también en la atmósfera (Fig. 1f). La forma de las matrices de microcápsulas huecas fabricadas se observó mediante el microscopio electrónico de barrido (SEM, Phenomworld, Pro). Los estados de enlace químico de las matrices de microcápsulas fabricadas antes y después del grabado químico de las microesferas encerradas se analizaron mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, Shimadzu, KRATOS ULTRA2). La incorporación del líquido iónico en las matrices de microcápsulas huecas fabricadas se confirmó mediante SEM y espectroscopia Raman (Jasco, NRS-5100).

La Figura 2 muestra la imagen SEM de la sección transversal de las microcápsulas fabricadas y las estructuras de microhinchamiento sobre caucho de silicona después de la exposición al gas HF. La forma de las microcápsulas era casi esférica y el diámetro parece volverse un poco más grande, en comparación con el diámetro de aproximadamente 2,0 a 2,3 μm de las microesferas de vidrio de sílice grabadas químicamente. Aunque es difícil saber con precisión el espesor de la pared de la cubierta de las microcápsulas porque el diámetro de las microesferas grabadas no es uniforme, el espesor de las microcápsulas fabricadas podría estimarse en aproximadamente 30 nm en promedio a partir de las imágenes SEM antes y después de la segunda. irradiación láser. Debajo de las microcápsulas, también se observó la estructura de microhinchazón de una altura de aproximadamente 1 µm y era casi uniforme. Además, las microcápsulas en las estructuras de microhinchamiento estaban a intervalos regulares de aproximadamente 2,5 μm, que corresponde al diámetro original de las microesferas de vidrio de sílice. Cuando no se realizó el grabado prequímico de las microesferas de vidrio de sílice, solo se pudieron formar las microcopas de silicona hemisféricas en contacto entre sí25. Esto significa que las siliconas de menor peso molecular son expulsadas de las estructuras de microhinchamiento, y se considera que las siliconas expulsadas no podrían alcanzar la mitad superior de cada microesfera debido a la falta de espacios entre las microesferas debido a la formación de las microcopas. Las microcápsulas fabricadas existieron de manera estable en las estructuras de microhinchamiento en la atmósfera incluso bajo vibraciones diarias. Por lo tanto, las matrices de microcápsulas esféricas de forma, tamaño y altura uniformes podrían fabricarse fotoquímicamente en las estructuras microhinchables de caucho de silicona mediante el láser excimer ArF de 193 nm.

Imagen SEM de sección transversal de las microcápsulas de silicona huecas fabricadas en las estructuras de microhinchazón de caucho de silicona.

Para analizar los estados de enlace químico de las microcápsulas fabricadas sobre caucho de silicona, se realizó el XPS, como se muestra en la Fig. 3. El área analizada de las muestras fue de aproximadamente 8,5 × 10–2 mm2. Cuando medimos el espectro de las microesferas de vidrio de sílice que cubrían la superficie de caucho de silicona, se detectaron los picos de las señales de Si 2p en 102,1 y 103,5 eV (Fig. 3a). Estos corresponden a los picos de Si 2p originados a partir de una silicona y una sílice (SiO2), respectivamente. La razón para detectar el pico de Si 2p a 102,1 eV es que la superficie de caucho de silicona no está completamente cubierta por las microesferas de vidrio de sílice en el microscopio. Por otro lado, cuando las microcápsulas que encierran las microesferas se fabricaron sobre caucho de silicona después de la irradiación con láser excimer ArF antes del grabado químico por exposición al gas HF, se midieron ambos picos de Si 2p (Fig. 3b). Sin embargo, la intensidad máxima a 103,5 eV se volvió notablemente más baja que a 102,1 eV. Esto significa que cada microesfera de vidrio de sílice podría estar encerrada por las moléculas de silicona de menor peso molecular que fueron expulsadas de las estructuras de microhinchamiento mediante pulsos repetidos de láser excimer ArF. Después del grabado químico por exposición a gas HF, el pico de Si 2p a 103,5 eV casi desapareció; solo se midió el pico Si 2p a 102,1 eV (Fig. 3c). Por lo tanto, las microesferas de vidrio de sílice encerradas podrían grabarse químicamente aunque no hubiera agujeros definidos en las microcápsulas fabricadas. Esto podría deberse a una estructura porosa de las microcápsulas fabricadas. De hecho, cuando usamos una solución acuosa de HF al 1% en peso, las microesferas encerradas no se eliminaron en absoluto debido a las propiedades repelentes al agua de la superficie. Por lo tanto, se encontró que las microcápsulas fabricadas estaban compuestas de siliconas y podían ser una estructura hueca aplicable a una pared de cubierta.

Espectros XPS de (a) microesferas de vidrio de sílice, (b) microcápsulas de silicona fabricadas que encierran microesferas de vidrio de sílice y (c) microcápsulas de silicona huecas fabricadas sobre gomas de silicona.

La figura 4 muestra las imágenes SEM de las microcápsulas de silicona huecas fabricadas antes y después del goteo del líquido iónico. Para lograr la microencapsulación, como pretratamiento, las microcápsulas huecas de silicona fabricadas se sumergieron en metanol (99,8 % de pureza) como solución de cebado durante 5 s. A continuación, la muestra se secó de forma incompleta a temperatura ambiente. Una pequeña cantidad del líquido iónico se goteó sobre la muestra semiseca y la muestra se colocó en una cámara de vacío durante 30 min. Antes de observar las muestras, además, el líquido iónico remanente en las muestras se eliminó mediante soplado de aire. Como se muestra en la Fig. 4a, b, cuando las muestras fueron observadas por el SEM, el tono de las imágenes en las microcápsulas, el estado de los electrones reflejados de las microcápsulas, cambió claramente. La diferencia puede deberse a la presencia o ausencia del líquido iónico en las microcápsulas de silicona huecas fabricadas. Además, no se observó ningún cambio claro en el diámetro de las microcápsulas antes y después del goteo del líquido iónico.

Imágenes SEM de las microcápsulas de silicona huecas fabricadas (a) antes y (b) después del goteo de líquido iónico. El tono de las imágenes en las microcápsulas, el estado de los electrones reflejados de las microcápsulas, cambió claramente.

La figura 5 muestra los espectros Raman medidos a partir de las microcápsulas de silicona huecas fabricadas antes y después del goteo del líquido iónico. En las mediciones, se utilizó una longitud de onda de 532 nm de un láser para la excitación. Se estableció un rango del cambio Raman medido en 600–1300 cm−1. Como referencia, se midió un espectro Raman del líquido iónico desnudo; se detectaron los picos de cambio Raman en 741, 1022, 1134 y 1240 cm-1 (Fig. 5a). En el caso de las microcápsulas huecas de silicona, el pico fue de 709 cm−1 (Fig. 5c). Este pico coincidía con uno de los picos de 685, 709, 787, 860 y 1261 cm−1 de una goma de silicona desnuda. Esto podría deberse a que el pico de 709 cm−1 fue extremadamente fuerte entre los cinco picos. Por lo tanto, en el caso de las microcápsulas, era difícil de medir con claridad excepto por el pico de 709 cm−1. Cuando el líquido iónico se goteó sobre las microcápsulas de silicona huecas fabricadas en el vacío, se midieron claramente los picos de 741, 1022, 1134 y 1240 cm−1 para el líquido iónico, junto con un pico de silicona de 709 cm−1 ( Figura 5b). En este caso, se necesitaba un punto focal del láser de 532 nm para establecer casi el centro de la microcápsula. Por lo tanto, cada microcápsula de silicona hueca fabricada podría llenarse satisfactoriamente con el líquido iónico. Además, el líquido iónico encapsulado era estable en la atmósfera a temperatura ambiente sin escaparse de las microcápsulas.

Espectros Raman del (a) líquido iónico desnudo de 1-butil-3-metilimidazolio bis(trifluorometanosulfonil)imida, (b) microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan el líquido iónico y (c) microcápsulas de silicona huecas fabricadas. En el caso (b), se necesitó un punto focal del láser de 532 nm para colocarlo casi en el centro de la microcápsula.

En base a los resultados anteriores, podría ser posible el desarrollo de modelos para el proceso de fabricación de matrices de microcápsulas de silicona que encapsulan líquido iónico. El láser excimer ArF de 193 nm de longitud de onda es esencial para la fotodisociación de los enlaces Si-O-Si del caucho de silicona, que se produce de manera efectiva debajo de las microesferas de vidrio de sílice que funcionan como microlentes. La fotodisociación induce la fabricación de las estructuras de microhinchamiento del caucho de silicona y tiene lugar la posterior expulsión de las siliconas de menor peso molecular. Es necesario preparar los espacios apropiados entre las microesferas para encerrar las microesferas en las siliconas de bajo peso molecular expulsadas para fabricar las matrices de microcápsulas de silicona en las estructuras de microhinchamiento. Las microesferas también funcionan como plantilla para fabricar las microcápsulas esféricas. Como las microcápsulas de silicona fabricadas son una estructura porosa, las microesferas encerradas pueden grabarse químicamente con el gas HF. Además, el líquido iónico también puede penetrar en las microcápsulas de silicona huecas fabricadas al vacío, junto con una pequeña cantidad de metanol como solución de imprimación.

Sin embargo, para uso práctico, es necesario mejorar el proceso de fabricación; planitud de la superficie de caucho de silicona, automatización de la alineación de microesferas (densidad de empaque de microesferas) y procesos de grabado (uniformidad de grabado) y homogeneización del haz del láser excimer ArF. Es decir, se requiere una etapa para evaluar el proceso de fabricación diseñado para garantizar que pueda reproducir niveles de calidad consistentes y confiables para uso práctico. Implica recopilar y evaluar datos sobre todos los aspectos y etapas del proceso de fabricación como se describe anteriormente. Al validar los datos anteriores, se considera que se pueden fabricar matrices de microcápsulas de silicona uniformes con alta reproducibilidad en un área amplia sobre caucho de silicona.

El significado de que las microcápsulas de silicona fabricadas de forma, tamaño y altura uniformes se fijan al caucho de silicona debe mostrar una propiedad superhidrofóbica o casi superhidrofóbica en la superficie como se menciona a continuación. Como resultado, cuando las muestras se someten a una solución acuosa, se espera que se forme un espacio de aire en el caucho de silicona superhidrofóbico o casi superhidrofóbico23,30. Por lo tanto, se nos ocurrió la idea de que las microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan un líquido iónico conductor se pueden confinar en el espacio de aire que proporciona una región eléctricamente aislada en una solución acuosa. Considerando el líquido iónico como electrolitos, las microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan el líquido iónico sugieren la posibilidad de realizar capacitores microeléctricos de doble capa, lo que significa que el dispositivo esperado podría usarse para el almacenamiento de microenergía en una solución acuosa.

Para demostrar el dispositivo esperado para el almacenamiento de microenergía en una solución acuosa, medimos el ángulo de contacto del agua en las microcápsulas de silicona fabricadas. A modo de comparación, el ángulo de contacto del agua era de aproximadamente 90 grados en una goma de silicona desnuda. Por otro lado, se estimó que el ángulo de contacto era de aproximadamente 159 y 136 grados en las microcápsulas de silicona fabricadas antes y después del líquido iónico encapsulador, respectivamente (Fig. 6a,b). Estos indican una propiedad superhidrofóbica o casi superhidrofóbica. La razón por la que el ángulo de contacto disminuye después de encapsular el líquido iónico es que es difícil eliminar el líquido iónico que queda en los huecos de las microcápsulas durante el goteo. Cuando la muestra casi superhidrofóbica se colocó lentamente bajo una solución acuosa de NaCl al 3% en peso, se formó un espacio de aire uniforme en la superficie de la muestra. Además, el entrehierro se puede inflar para expandir la región aislada eléctricamente mediante la inyección de aire con un sringe21,23,30. La Figura 7 muestra la fotografía del espacio de aire inflado formado en las microcápsulas de silicona en la solución acuosa de NaCl. La forma de este espacio de aire inflado se modificó ligeramente mediante la inserción de sondas y alambres de aluminio (Al) y cobre (Cu), en comparación con inmediatamente después de la formación del espacio de aire inflado21. Las microcápsulas de silicona fabricadas podrían estar confinadas en el espacio de aire inflado. Además, como se muestra en la Fig. 7, cuando los cables de Al y Cu se colocaron a través del espacio de aire y la solución acuosa de NaCl en la muestra casi superhidrofóbica, se pudieron obtener voltajes eléctricos de 0,5 a 0,9 V entre dos cables mediante la inserción de un par. de sondas La generación de voltajes eléctricos se basa en la diferencia de los potenciales electroquímicos de dos alambres metálicos, y un potencial de electrodo estándar de Al es el siguiente:

Fotografías transversales de la gota de agua en (a) microcápsulas de silicona huecas fabricadas y (b) microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan el líquido iónico, para la medición del ángulo de contacto del agua.

Fotografía del espacio de aire inflado de la región eléctricamente aislada formada en las matrices de microcápsulas de silicona casi superhidrofóbicas bajo una solución acuosa de NaCl al 3 % en peso, junto con la generación de voltaje eléctrico entre los cables de Al y Cu en el mismo espacio de aire. Se insertaron un par de sondas en el espacio de aire inflado y tocaron cada cable de metal para detectar el voltaje eléctrico generado.

Por otro lado, se cree que ocurre la siguiente reacción en el electrodo de Cu:

Por lo tanto, se espera idealmente un voltaje eléctrico de 0,848 V, que se encuentra en los voltajes eléctricos obtenidos de 0,5 a 0,9 V. Por lo tanto, se sugiere que el voltaje eléctrico obtenido se pueda conectar eléctricamente a las microcápsulas de silicona fabricadas que encapsulan el líquido iónico. Para realizar los condensadores microeléctricos de doble capa, es necesario formar electrodos dentro de las microcápsulas de silicona y realizar conexiones eléctricas entre las microcápsulas de silicona. Después de superar este desafío, el presente dispositivo para el almacenamiento de microenergía abre la posibilidad de realizar los dispositivos IoT que funcionan bajo el agua de mar. Además, la pregunta académica que constituye el núcleo de esta investigación es si es posible encontrar la solución que antes se consideraba difícil de lograr mediante el diseño del espacio que existe en la interfaz entre sustancias contradictorias, como una superficie superhidrofóbica y el agua. . Este trabajo puede aportar la solución que es la manifestación de funciones eléctricas en la superficie de materiales en agua de mar.

Las matrices de microcápsulas de silicona esféricas huecas de forma, tamaño y altura uniformes se fabricaron con éxito en el caucho de silicona mediante el láser excimer ArF de 193 nm. El caucho de silicona irradiado con láser debajo de las microesferas de vidrio de sílice alineadas se hinchaba fotoquímica y periódicamente por la fotodisociación de los enlaces Si-O-Si del caucho de silicona. Acompañadas por los microhinchazones fotoquímicos, las siliconas de menor peso molecular que se generaron por la fotodisociación fueron expulsadas de las estructuras de microhinchamiento a lo largo de la curvatura de cada microesfera para encerrar las microesferas. Después del grabado químico de las microesferas de vidrio de sílice encerradas mediante la exposición al gas HF, las microcápsulas de silicona fabricadas se volvieron huecas, lo que fue confirmado por el XPS. Además, cada microcápsula de silicona hueca podría atrapar el líquido iónico en el vacío. La incorporación del líquido iónico en las microcápsulas huecas de silicona se observó mediante espectroscopía SEM y Raman. Dado que las matrices de microcápsulas de silicona fabricadas antes y después de encapsular el líquido iónico se fijaron al caucho de silicona y mostraron la propiedad superhidrofóbica o casi superhidrofóbica, las microcápsulas de silicona que encapsulan el líquido iónico como electrolitos podrían estar confinadas en el espacio de aire inflado del electrolito. región aislada formada en las muestras casi superhidrofóbicas en la solución acuosa de NaCl. Además, en función de la diferencia de potenciales electroquímicos, la combinación de nuestro método anterior permitió generar voltajes eléctricos de 0,5 a 0,9 V simultáneamente en el entrehierro. Por lo tanto, el voltaje eléctrico generado podría conectarse eléctricamente a las matrices de microcápsulas de silicona que encapsulan el electrolito líquido iónico en el mismo espacio de aire bajo la solución acuosa de NaCl. Esto significa que cada microcápsula de silicona que encapsula líquido iónico como electrolitos permite funcionar como un condensador eléctrico de doble capa que almacena energía mínima en el agua de mar y, al mismo tiempo, puede generar y suministrar energía mínima utilizando el entorno del agua de mar. Además, mediante un enfoque numérico, puede ser posible encontrar el tamaño de microesfera óptimo antes del grabado prequímico que puede mejorar la propiedad casi superhidrofóbica de las microcápsulas de silicona que encapsulan líquido iónico a la propiedad superhidrofóbica. Los presentes resultados permiten expandir el rango de uso de los dispositivos IoT al océano y también conducirán a la realización de microdispositivos que realicen comunicaciones de luz visible en el agua de mar.

Los datos que respaldan los hallazgos de esta investigación están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Se ha publicado una corrección de este artículo: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25424-7

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Este trabajo fue apoyado por JSPS KAKENHI Número de subvención JP21K04732.

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Academia Nacional de Defensa, 1-10-20 Hashirimizu, Yokosuka, Kanagawa, 239-8686, Japón

Kaede Iwasaki, Tsuyoshi Yoshida y Masayuki Okoshi

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KI y MO concibieron los experimentos. KI realizó los experimentos y análisis. KI, TY y MO discutieron los resultados. KI y MO escribieron el artículo. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Masayuki Okoshi.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Iwasaki, K., Yoshida, T. y Okoshi, M. Matrices de microcápsulas de silicona casi superhidrofóbicas que encapsulan electrolitos líquidos iónicos para el almacenamiento de microenergía asumiendo el uso en agua de mar. Informe científico 12, 18264 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22891-w

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Recibido: 07 Septiembre 2022

Aceptado: 20 de octubre de 2022

Publicado: 29 de octubre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22891-w

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