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)動材料
2016-11-23 來源：中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞：響應(yīng)高分子 軟驅(qū)動材料
智能軟驅(qū)動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)動材料在驅(qū)動效率及速度、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)隊前期研發(fā)了系列形狀記憶型水凝膠軟驅(qū)動材料，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)動能力及響應(yīng)靈敏度還仍顯不足；基于該團(tuán)隊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)隊近期通過協(xié)同發(fā)揮聚多巴胺對水汽的敏感性與碳基材料如石墨烯等獨特氣體阻隔性，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)動材料。研究人員通過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)動下，該薄膜具有極高的響應(yīng)靈敏度（圖1-B）、快速運動能力（1000°/s）（圖1-C）、強(qiáng)驅(qū)動力（可以承載自身42倍重量）（圖1-D）以及連續(xù)自發(fā)運動（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)動的限制，可以實現(xiàn)在外部刺激的過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，這為制備新型快速、高靈敏驅(qū)動材料提供了一種新思路（Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1600169）。
如果要實現(xiàn)軟驅(qū)動材料的實際應(yīng)用，迫切需要開發(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)計了一種具有復(fù)雜智能形變的仿生驅(qū)動器，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)動器件的設(shè)計和開發(fā)，特別是遠(yuǎn)程可控和多重響應(yīng)的3D復(fù)雜驅(qū)動，提供了新思路。
該研究工作得到了國家“青年千人計劃”、中科院前沿局“拔尖青年科學(xué)家”（QYZDB-SSW-SLH036）、國家自然科學(xué)基金（21304105，51573203）、浙江省杰出青年基金（LR14B040001）與浙江省石墨烯應(yīng)用研究重點實驗室等的資助。
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)隊前期研發(fā)了系列形狀記憶型水凝膠軟驅(qū)動材料，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)動能力及響應(yīng)靈敏度還仍顯不足；基于該團(tuán)隊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)隊近期通過協(xié)同發(fā)揮聚多巴胺對水汽的敏感性與碳基材料如石墨烯等獨特氣體阻隔性，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)動材料。研究人員通過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)動下，該薄膜具有極高的響應(yīng)靈敏度（圖1-B）、快速運動能力（1000°/s）（圖1-C）、強(qiáng)驅(qū)動力（可以承載自身42倍重量）（圖1-D）以及連續(xù)自發(fā)運動（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)動的限制，可以實現(xiàn)在外部刺激的過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，這為制備新型快速、高靈敏驅(qū)動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)動材料具備極高響應(yīng)靈敏度（B）快速彎曲運動
（C）大的驅(qū)動力（D）及濕度梯度連續(xù)驅(qū)動能力（E）等優(yōu)良性能
如果要實現(xiàn)軟驅(qū)動材料的實際應(yīng)用，迫切需要開發(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)計了一種具有復(fù)雜智能形變的仿生驅(qū)動器，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)動器件的設(shè)計和開發(fā)，特別是遠(yuǎn)程可控和多重響應(yīng)的3D復(fù)雜驅(qū)動，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)動材料
該研究工作得到了國家“青年千人計劃”、中科院前沿局“拔尖青年科學(xué)家”（QYZDB-SSW-SLH036）、國家自然科學(xué)基金（21304105，51573203）、浙江省杰出青年基金（LR14B040001）與浙江省石墨烯應(yīng)用研究重點實驗室等的資助。
（作者：高分子事業(yè)部 何江）
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