纳米多孔硅-聚吡咯杂化物如何在水性电解质中伸缩：原位高分辨率 X 射线衍射与基于电子断层扫描的微力学计算机模拟

宏观应变实验揭示，被平行沟道状纳米孔贯穿、并由肌肉聚合物聚吡咯功能化的硅晶体，在水性电解质中表现出大且可逆的电化学-力学驱动。在微观层面，该系统仍存在未解问题，例如聚吡咯的电化学膨胀与收缩如何作用于纳米多孔硅孔壁，以及孔阵列的集体运动如何从单纳米孔行为中涌现。通过基于 TEM 断层扫描对纳米多孔介质进行三维重建的微力学有限元模拟，对原位 X 射线衍射实验进行分析，结果表明，尽管单晶主体基质具有各向异性弹性，面内力学响应主要呈各向同性。然而，源于纳米孔平行排列的结构各向异性导致面内与面外机电响应之间存在显著差异。这种响应无法用简单的平行圆柱通道二维排列来描述。相反，模拟强调了硅孔壁的树枝状形状，包括主通道之间的孔连接，在晶体主体中引起了复杂、不均匀的应力-应变场。关于驱动器特性动态的时间分辨 X 射线散射，暗示了扩散限制、塑性变形和蠕变在纳米限域聚合物中（反）离子吸附与脱附过程中的重要性，这些正是导致宏观电驱动的孔隙尺度过程。从更一般的视角看，我们的研究表明，基于 TEM 断层扫描的微力学建模与高分辨率 X 射线散射实验相结合，为从单纳米孔到多孔介质尺度的纳米多孔复合材料的原位分析提供了一种强大方法。