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基于刺激響應(yīng)高分子與石墨烯的納米復(fù)合智能軟驅(qū)動(dòng)材料
2016-11-23  來(lái)源:中國(guó)聚合物網(wǎng)
  智能軟驅(qū)動(dòng)材料是指在一定的外部刺激下能夠?qū)⒏鞣N能量(光能、熱能、化學(xué)能及氣體的梯度勢(shì)能)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能進(jìn)而發(fā)生可逆形變的高分子材料。最近幾年,軟驅(qū)動(dòng)材料已經(jīng)在許多高科技領(lǐng)域如軟體機(jī)器人、傳感器和體內(nèi)手術(shù)設(shè)備等方面引起了極大的研究興趣。但通常受限于組成材料自身的成分及其結(jié)構(gòu),這些驅(qū)動(dòng)材料在驅(qū)動(dòng)效率及速度、機(jī)械穩(wěn)定性、響應(yīng)靈敏度、形變可控性及復(fù)雜性等方面還存在嚴(yán)重不足,限制了軟驅(qū)動(dòng)材料的進(jìn)一步應(yīng)用。
  中科院寧波材料所陳濤研究員帶領(lǐng)的智能高分子材料團(tuán)隊(duì)前期研發(fā)了系列形狀記憶型水凝膠軟驅(qū)動(dòng)材料,并取得了階段性進(jìn)展(Chem. Commun. 2014, 50,12277; Macromol. Rapid Commun. 2015, 36, 533; Polym. Chem. 2016, 7, 5343; Chem. Sci. 2016, 7, 6715; Chem. Commun. 2016, 52, 13292),但這些材料的驅(qū)動(dòng)能力及響應(yīng)靈敏度還仍顯不足;基于該團(tuán)隊(duì)在碳基材料與高分子復(fù)合方面的研究基礎(chǔ)(Chem. Commun., 2013, 49, 11167; Chem. Commun., 2014, 50, 7103; J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 15268; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2014, 6, 16204; J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 4124; Adv. Funct. Mater., 2015, 25, 2428; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 10810; Chem. Mater., 2016, 28, 7125),該團(tuán)隊(duì)近期通過(guò)協(xié)同發(fā)揮聚多巴胺對(duì)水汽的敏感性與碳基材料如石墨烯等獨(dú)特氣體阻隔性,制備了基于刺激響應(yīng)高分子與石墨烯的納米復(fù)合智能軟驅(qū)動(dòng)材料。研究人員通過(guò)采用真空抽濾自組裝的方法,將原位聚合制備得到的大尺寸還原氧化石墨烯/聚多巴胺(RGO-PDA)納米復(fù)合薄片的分散液組裝成宏觀尺度的層狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合薄膜(圖1-A)。在水汽梯度的驅(qū)動(dòng)下,該薄膜具有極高的響應(yīng)靈敏度(圖1-B)、快速運(yùn)動(dòng)能力(1000°/s)(圖1-C)、強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力(可以承載自身42倍重量)(圖1-D)以及連續(xù)自發(fā)運(yùn)動(dòng)(圖1-E)等優(yōu)良性能。這種材料突破了只有雙層結(jié)構(gòu)的材料才能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的限制,可以實(shí)現(xiàn)在外部刺激的過(guò)程中均一薄膜原位形成雙層結(jié)構(gòu),進(jìn)而進(jìn)行驅(qū)動(dòng),這為制備新型快速、高靈敏驅(qū)動(dòng)材料提供了一種新思路(Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600169)。
 
圖1 由石墨烯/聚多巴胺自組裝成的納米復(fù)合膜(A)驅(qū)動(dòng)材料具備極高響應(yīng)靈敏度(B)快速?gòu)澢\(yùn)動(dòng)
(C)大的驅(qū)動(dòng)力(D)及濕度梯度連續(xù)驅(qū)動(dòng)能力(E)等優(yōu)良性能
 
  如果要實(shí)現(xiàn)軟驅(qū)動(dòng)材料的實(shí)際應(yīng)用,迫切需要開(kāi)發(fā)新的制備方法以獲得各種復(fù)雜形變、特別是三維(3D)的復(fù)雜形變。近期,該團(tuán)隊(duì)研究人員采用紫外光原位還原法,將氧化石墨烯-聚(N-異丙基丙烯酰胺)(GO-PNIPAM)復(fù)合水凝膠的局部區(qū)域的氧化石墨烯還原,從而高度可控地獲得了特定的各向異性結(jié)構(gòu)。以其為模板,還可在水凝膠未還原區(qū)域引入其他刺激響應(yīng)的第二網(wǎng)絡(luò),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了多重響應(yīng)(熱、光、離子強(qiáng)度和pH響應(yīng))的3D復(fù)雜形變(圖2,Adv. Funct. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201603448)。利用此方法,研究人員設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)雜智能形變的仿生驅(qū)動(dòng)器,可以在多重刺激響應(yīng)下,準(zhǔn)確抓取特定區(qū)域的目標(biāo)物。這為智能軟質(zhì)驅(qū)動(dòng)器件的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),特別是遠(yuǎn)程可控和多重響應(yīng)的3D復(fù)雜驅(qū)動(dòng),提供了新思路。
 
圖2 具備多重響應(yīng)、復(fù)雜三維形變能力(A)及抓取能力(B)的智能軟驅(qū)動(dòng)材料
 
  該研究工作得到了國(guó)家“青年千人計(jì)劃”、中科院前沿局“拔尖青年科學(xué)家”(QYZDB-SSW-SLH036)、國(guó)家自然科學(xué)基金(21304105,51573203)、浙江省杰出青年基金(LR14B040001)與浙江省石墨烯應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等的資助。
 
(作者:高分子事業(yè)部 何江)
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