ACS Nano：利用仿大腦皮層折疊的氧化石墨烯實現超大形變致動器
【引言】
表面褶皺現象在自然界中普遍存在。例如，白細胞表面存在納米尺度表面褶皺，可有效拓展離子輸運功效；人體關節表面存在毫米尺度的皮膚褶皺，可有效保障關節自由活動；大腦皮層表面存在厘米尺度的折疊結構，可有效增強信息存儲能力。生物組織器官表面褶皺對其生物功能起著不可忽視的作用，理解生物組織器官表面褶皺的形成機制，對其進行再現與應用具有重要科學意義。
【成果簡介】
近日，受大腦皮層折疊過程的啟發，國防科技大學楚增勇（通訊作者）團隊，以氧化石墨烯為二維組裝單元，以乳膠氣球為彈性基底，通過三維同步收縮法構筑了仿大腦皮層高度折疊結構。類大腦皮層結構賦予氧化石墨烯優異的抗彎曲和抗拉伸性能，與基底一起具有快速響應、雙向可逆彎曲、超大曲率形變特性，變形能力遠超同類致動器（18s內實現了曲率2.75mm-1的絕對變化量），可用于構筑響應有機溶劑的“含羞草”、抓取毒性溶劑中光滑物體的機械手、清理海上石油泄露的動態收集器等溶劑響應裝置。論文以Article的形式發表在ACS Nano上，題名：Gyrification-Inspired Highly Convoluted Graphene Oxide Patterns for Ultralarge Deforming Actuators，碩士研究生譚銀龍為論文第一作者。
【圖文導讀】
圖一：類大腦皮層氧化石墨烯圖案的構筑示意圖
（a）三維視圖；（b）俯視圖；（c）剖面圖。
在充氣氣球基底上涂覆氧化石墨烯，緩慢釋放氣體，氧化石墨烯薄膜在切向壓應力作用下折疊，得到類大腦皮層圖案。
圖二：改變基底預拉伸應變調控氧化石墨烯圖案
（a）基底預拉伸應變為22%時，得到類巴基球圖案；
（b）基底預拉伸應變增大至100%時，轉化為類大腦皮層圖案；
（c, d）基底預拉伸應變進一步增大，圖案密集化，折疊寬度變小，折疊起伏變大。
圖三：改變薄膜厚度調控氧化石墨烯圖案
（a-d）薄膜厚度分別為0.5、0.7、1.4、2.5μm（基底預拉伸應變~140%）。
隨薄膜厚度增加，折疊圖案稀疏化，折疊寬度變大，折疊起伏變大。
圖四：氧化石墨烯/乳膠雙層致動器的雙向可逆彎曲性能
（a）雙層致動器變形示意圖；
（b）雙層致動器在正己烷溶液中的響應及其在空氣中的恢復過程；
（c）致動器彎曲方向與兩側應變差之間的關系。
在空氣中，雙層致動器在殘余應力作用下自動卷曲成筒狀，將其置于某些有機試劑中，基底在溶脹的作用下發生反卷。過程可逆。
圖五：氧化石墨烯/乳膠雙層致動器溶劑刺激響應性能比較
（a）同一致動器在不同溶劑中的響應和恢復曲線；
（b）不同致動器在同一溶劑中的響應和恢復曲線；
（c, d）該雙層致動器與近期報道的其他形變致動器的性能比較。
圖六：氧化石墨烯/乳膠雙層致動器的典型應用
（a, b）抓取有機溶劑中光滑的鋁棒；（c）蠕蟲；（d）包裹；（e）花朵；（f）含羞草。
圖七：超疏水超親油特性與石油泄露收集裝置
（a）氧化石墨烯表面的水接觸角；
（b）氧化石墨烯表面原油動態接觸角；
（c-e）原油收集器收集石油泄露。
【小結】
三維同步收縮法為基于球面基底的微納圖案構筑提供了新思路，工藝簡單，形貌可控，具有良好的普適性。用這種方法構筑的氧化石墨烯/石墨烯圖案在形狀記憶、應變傳感、電磁隱身、組織工程等領域顯示出明顯的優勢，具有成為下一代智能結構的潛力。
文獻鏈接：Gyrification-Inspired Highly Convoluted Graphene Oxide Patterns for Ultralarge Deforming Actuators（ACS Nano, 2017, 11 (7): 6843–6852. DOI: 10.1021/acsnano.7b01937）
本文由MOST供稿，材料牛編輯整理。
材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入編輯部。歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱tougao@cailiaoren.com。
投稿以及內容合作可加編輯微信：xiaofire-18，吳玫，我們會拉各位老師加入專家群。
文章評論(0)