Ionic polymer-metal composites (IPMCs) constitute a promising class of soft, active materials with potentially ubiquitous use in science and engineering. Realizing the full potential of IPMCs calls for a deeper understanding of the mechanisms underpinning their most intriguing characteristics: the ability to deform under an electric field and the generation of a voltage upon mechanical deformation. These behaviours are tightly linked to physical phenomena at the level of atoms, including rearrangements of ions and molecules, along with the formation of sub-nanometre thick double layers on the surface of the metal electrodes. Several continuum theories have been developed to describe these phenomena, but their experimental and theoretical validation remains incomplete. IPMC modelling at the atomistic scale could beget valuable support for these efforts, by affording granular analysis of individual atoms. Here, we present a simplified atomistic model of IPMCs based on classical molecular dynamics. The three-dimensional IPMC membrane is constrained by two smooth walls, a simplified analogue of metal electrodes, impermeable only to counterions. The electric field is applied as an additional force acting on all the atoms. We demonstrate the feasibility of simulating counterions’ migration and pile-up upon the application of an electric field, similar to experimental observations. By analysing the spatial configuration of atoms and stress distribution, we identify two mechanisms for stress generation. The presented model offers new insight into the physical underpinnings of actuation and sensing in IPMCs.

This article is part of the theme issue ‘Progress in mesoscale methods for fluid dynamics simulation’.

离子聚合物-金属复合材料 (IPMC) 是一类很有前途的柔软活性材料，在科学和工程中可能无处不在。实现 IPMC 的全部潜力需要更深入地了解支撑其最有趣特征的机制：在电场下变形的能力和在机械变形时产生电压的能力。这些行为与原子水平的物理现象密切相关，包括离子和分子的重排，以及在金属电极表面形成亚纳米厚的双层。已经开发了几种连续统理论来描述这些现象，但它们的实验和理论验证仍然不完整。通过提供单个原子的粒度分析，原子尺度的 IPMC 建模可以为这些工作提供宝贵的支持。在这里，我们提出了基于经典分子动力学的 IPMC 的简化原子模型。三维 IPMC 膜受两个光滑壁的约束，这是金属电极的简化类似物，仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。通过对单个原子进行粒度分析。在这里，我们提出了基于经典分子动力学的 IPMC 的简化原子模型。三维 IPMC 膜受两个光滑壁的约束，这是金属电极的简化类似物，仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。通过对单个原子进行粒度分析。在这里，我们提出了基于经典分子动力学的 IPMC 的简化原子模型。三维 IPMC 膜受两个光滑壁的约束，这是金属电极的简化类似物，仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。我们基于经典分子动力学提出了一个简化的 IPMC 原子模型。三维 IPMC 膜受两个光滑壁的约束，这是金属电极的简化类似物，仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。我们基于经典分子动力学提出了一个简化的 IPMC 原子模型。三维 IPMC 膜受两个光滑壁的约束，这是金属电极的简化类似物，仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。仅对反离子不可渗透。电场作为作用在所有原子上的附加力被施加。我们证明了在施加电场时模拟反离子迁移和堆积的可行性，类似于实验观察。通过分析原子的空间配置和应力分布，我们确定了两种应力产生机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。我们确定了两种压力产生的机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。我们确定了两种压力产生的机制。所提出的模型为 IPMC 中驱动和传感的物理基础提供了新的见解。

本文是主题问题“流体动力学模拟中尺度方法的进展”的一部分。