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  濕度驅(qū)動材料作為一種環(huán)境敏感材料，在傳感器、能量轉(zhuǎn)換等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。濕度驅(qū)動的核心在于材料在濕度或者濕度梯度條件下實現(xiàn)不均勻膨脹。傳統(tǒng)的濕度驅(qū)動材料通過雙層的親水-疏水有機(jī)層構(gòu)筑。其中親水有機(jī)物通過氫鍵有效地與水分子結(jié)合，從而實現(xiàn)膨脹變形。通過親水-疏水雙層構(gòu)建的濕度響應(yīng)材料僅僅具有單向彎曲的特性，所以其應(yīng)用受限于單向運(yùn)動模式。為了擴(kuò)大濕度驅(qū)動材料的應(yīng)用前景，一些具有水分子阻隔能力的物質(zhì)，比如氧化石墨烯、納米纖維素薄膜等，也被用于設(shè)計濕度驅(qū)動材料。雖然這些物質(zhì)能夠吸收水分并實現(xiàn)雙向彎曲，但是由于缺少疏水組分因此恢復(fù)時間較長。由于響應(yīng)比較緩慢，其應(yīng)用范圍也同樣受到限制。為了構(gòu)建雙向彎曲、快速響應(yīng)的濕度驅(qū)動材料，一種潛在的解決方案是在疏水的有機(jī)薄膜中大量引入親水的無機(jī)離子。很多的無機(jī)離子不僅可以通過氫鍵，還可以通過配位鍵與水分子結(jié)合，且結(jié)合能力更強(qiáng)，更迅速。但是受限于經(jīng)典無機(jī)化合物的成核過程，大量的無機(jī)離子更傾向于通過聚集形成無機(jī)化合物，因此很難在離子尺度上保持與有機(jī)物的均勻復(fù)合。

  針對此類問題，浙江大學(xué)化學(xué)系唐睿康、劉昭明團(tuán)隊在前期發(fā)展的無機(jī)離子寡聚體（Nature 2019, 574, 394-398）及有機(jī)無機(jī)共聚反應(yīng)體系（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2071-2075）基礎(chǔ)上，通過有機(jī)無機(jī)共聚將親水的碳酸鈣離子寡聚體與疏水的聚偏氟乙烯進(jìn)行復(fù)合，通過有機(jī)無機(jī)相互交聯(lián)作用成功構(gòu)筑了均勻透明共聚薄膜。薄膜中，無機(jī)物保留著離子寡聚狀態(tài)切能大量結(jié)合外來的水分子，使薄膜在潮濕空氣中吸水并膨脹，從而實現(xiàn)對環(huán)境的濕度快速響應(yīng)。同時由于該薄膜結(jié)構(gòu)均一，因而能進(jìn)行雙向彎曲（圖1）。

圖1. (a)驅(qū)動薄膜暴露在干燥和潮濕棉布上的形狀變化以及結(jié)構(gòu)示意圖；(b)當(dāng)手指靠近薄膜時其向相反方向彎曲，移除手指后薄膜回歸初始狀態(tài)；(c)高分辨掃描透射電鏡下的復(fù)合薄膜。

  由于無機(jī)離子較有機(jī)官能團(tuán)能與水形成更強(qiáng)的氫鍵，且離子寡聚體由于其小尺寸效應(yīng)能與水分子充分作用的位點，所以共聚薄膜對水分子具有更強(qiáng)的作用力。而薄膜中聚偏氟乙烯疏水組分的存在則有利于水分子在低濕度條件下的排出。這種巧妙的設(shè)計使得該驅(qū)動薄膜對濕度梯度的響應(yīng)速度與靈敏度均優(yōu)于之前報道的其它雙向彎曲的濕度響應(yīng)材料。這樣，有機(jī)無機(jī)共聚薄膜能夠在濕度梯度很低的冰表面上進(jìn)行“自運(yùn)動”(圖2)，將濕度梯度轉(zhuǎn)換為動能，這類新材料為自然能的開發(fā)與利用提供了一種新策略。該研究表明，通過無機(jī)離子寡聚體與疏水高分子進(jìn)行復(fù)合可以為智能材料的設(shè)計和制造提供了新的思路，也進(jìn)一步展示了有機(jī)無機(jī)共聚在材料制備上的優(yōu)勢。

圖2.(a)距離冰表面不同高度的溫度以及絕對濕度；(b)冰塊上的驅(qū)動薄膜上下兩面處于不同的濕度環(huán)境中；(c)共聚薄膜能在冰表面上實現(xiàn)翻滾“自運(yùn)動”。

  相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。該研究受到國家自然科學(xué)基金的資助。論文的第一作者為浙江大學(xué)化學(xué)系博士生何彥和孔康任，通訊作者是浙江大學(xué)化學(xué)系唐睿康教授和劉昭明研究員。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101291