可用于體表濕熱管理的智能材料：基于納米通道的自適應氣體致動薄膜

近日，Nature子刊《Nature Communications》在線發表了由東華大學纖維材料改性國家重點實驗室王宏志教授課題組和佐治亞理工大學Elsa Reichmanis教授課題組合作完成的題為‘‘Molecular-Channel Driven Actuator with Considerations for Multiple Configurations and Color Switching’’的研究論文。

對于光、熱、濕度以及磁場等外部刺激具有一定的自適應響應性是自然界中各種各樣的生物賴以生存的基礎。效法自然，以聚合物凝膠、電活性高分子以及碳納米材料為主的一系列人工驅動器材料已經被開發出來，并在微納機器人、人造器官甚至軍事隱形等領域都展現了廣闊的應用前景。相比于熱、pH、光、電驅動的致動材料，氣體(特別是水蒸氣)致動材料由于條件溫和、生物友好且易于控制，更加適合人體體表的應用。目前，已經有幾種氣體致動材料相繼被報道，然而由于其復雜的制備工藝、緩慢的氣體吸收及傳輸過程、以及較差的生物相容性等問題，很難應用于可穿戴設備等人體-環境交互領域，所以開發基于新型驅動機理的氣體致動材料尤為迫切。

納米分子通道廣泛存在于活體細胞及生物組織中，并在小分子的輸運與存儲過程中起到不可替代的作用。例如環境響應性植物捕蠅草、含羞草等，就是通過細胞表面的水分子通道實現組織中水分子的再分配，從而引起組織細胞液體壓力差以實現驅動行為的。納米分子通道的這種分子再分配特性，已經被應用于包括能量存儲與環境保護等許多科學與工程領域。

該項工作在對多種納米分子通道材料進行研究的基礎上，最終利用一種商品化的全氟磺酸樹脂開發出一系列響應速度極快(~0.25 s)、性能穩定且可以與人體皮膚友善接觸的驅動器薄膜材料。具體研究成果包括：借助同步輻射光源的掠射角X射線衍射儀(GIWAX)，原位研究了單層全氟磺酸樹脂薄膜吸收氣體過程中的結構變化，揭示了該類氣體驅動器薄膜材料的氣體吸收/傳輸機制以及變形機理，實現了左-右螺旋調控的自舒展雙層驅動器薄膜。將具有氣體活性的選區取向的全氟磺酸樹脂復合到惰性的PET基底上，制備出可以定向舒展/閉合的螺旋驅動器薄膜。將圖案化切割后的驅動器薄膜與普通纖維紡織品結合，設計出一種具有人體體表溫度與濕度調節作用的智能面料。并將納米氧化硅微球光子晶體與薄膜復合開發出自適應變形-變色雙響應智能薄膜。

• 圖一 全氟磺酸樹脂薄膜吸收氣體過程原位GIWAXS分析

  

  圖二 全氟磺酸樹脂薄膜吸收氣體自適應變形機理

• 圖三 雙層結構的螺旋和自適應解螺旋動態過程

• 圖四 人體體表溫度與濕度調節智能面料及變形-變色雙響應薄膜

  東華大學博士畢業生穆九柯（現為美國德克薩斯大學達拉斯分校博士后）與王剛（現為美國西北大學博士后）為該論文的共同第一作者，該項工作得到了國家自然科學基金、上海市優秀學術帶頭人、上海市東方學者跟蹤計劃的大力支持。論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-018-03032-2