張利東課題組與杜學敏課題組Adv. Mater.: “不知疲倦”可長久持續運動的仿生智能薄膜

【引言】

隨著對自然界生物結構了解與認識加深，通過材料與結構設計仿生大自然技術也日趨成熟，極大推動了刺激響應仿生材料的發展。基于刺激響應仿生材料研發的器件在工業，醫療，電子，軍事等領域也得到了極大的應用。尤其是仿生軟材料，其未來的應用價值將更加巨大，特別是在柔性電子工業，仿生傳感器，軟體機器人等方面更是前景廣闊。

目前在刺激響應材料仿生結構模擬上還存在諸多技術難題。理論分析認為要實現高效可控的仿生性能, 除了對材料仿生結構的精確設計之外，材料要具有非常好的拉伸耐磨性,對外界長時間刺激后仍能保持理想的機械性能, 必須具有可逆的刺激響應行為, 這些是刺激響應型仿生材料實現仿生性能的基本要素，也是拓展其應用的基本條件。因此只有設計合理的仿生結構、深入理解仿生機理、優化材料機械性能, 才能控制動態仿生過程、促進材料的應用步伐。

【成果簡介】

近日，華東師范大學化學院張利東課題組（第一通訊作者單位）與中國科學院深圳先進技術研究院杜學敏課題組（第二通訊作者單位）合作，以聚偏氟乙烯（PVDF）和聚乙烯醇(PVA)高分子材料為研究對象，通過模擬生物結構衍生規律制備出新型智能柔性雙層高分子膜材料。利用模板技術將微孔道仿生結構復制到PVDF膜表面,從而在結構上實現了雙層膜的仿生性能，并通過外界刺激實現了對雙層膜仿生行為的操控。同時，該雙層膜對于外界丙酮蒸汽的刺激能夠保持數小時連續可逆的響應，為拓展刺激響應材料在柔性傳感器、軟體機器人等領域應用奠定了堅實的基礎。而且，基于該雙層膜設計的柔性傳感器，可長時間連續的監控環境中丙酮濃度，從而及大地拓展了材料的應用潛質。相關成果以題為“Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators”發表在 Advanced Materials 上。參與該項目的還有胡志高，王娟等人。

【圖文導讀】

圖1：雙層膜設計思路

通過微孔道模板將微孔道結構復制到PVDF膜表面，使得制備的PVDF/PVA雙層薄膜在結構上具有周期變化的機械張量，當受外界刺激時，可實現對雙層膜形變的調控。

圖2：丙酮分子驅動雙層膜的可控形變

當PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的長軸夾角保持在30°或60°時，薄膜受到丙酮分子刺激產生右手性的纏繞運動。反之，微孔道排列和薄膜的長軸夾角保持在-30°或-60°時，薄膜表現出左手性的纏繞形變。當這種夾角保持在90°時，雙層膜吸收丙酮分子而產生向著PVA層的定向彎曲形變。

圖3：PVDF/PVA雙層膜的仿生形變

花瓣形狀的雙層膜吸收丙酮分子產生像蘿卜花一樣的形變運動。利用此種仿生運動設計的薄膜傳感器，可以長時間連續監測環境中丙酮濃度。當環境中丙酮濃度過高時，傳感器自發形變接通電路，電燈亮。當丙酮濃度逐漸降低時，傳感器恢復到原來形狀斷開電路，電燈滅。利用電燈的變化來告知環境中丙酮蒸汽濃度的高低。

【小結】

該工作以廉價易得的高分子材料為研究對象，通過對其簡單的復合改性，制備了具有自驅動性能的高分子雙層膜。該雙層膜對丙酮分子的刺激具有及其敏感的響應性，并且通過對丙酮分子的快速吸收和釋放，可實現雙層膜的長時間連續定向形變。讓惰性高分子“不知疲倦”地運動起來，媲美自然界中復雜的運動方式，將大大推動聚合物材料在傳感器、人工肌肉、柔體機器人等領域的重要應用。

文獻鏈接：Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators (Adv. Mater., 2017,?1702231. DOI: 10.1002/adma.201702231)

作者簡介：

張利東，博士，華東師范大學研究員，紫江青年學者，博士生導師。主要從事智能高分子材料的制備及其對環境刺激響應性能的研究。近三年在Nat. Commun., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Commun.,等國際知名雜志上發表多篇同行評議論文。詳見鏈接：http://faculty.ecnu.edu.cn/s/3539/main.jspy。

杜學敏，博士，中國科學院深圳先進技術研究院副研究員，廣東特支計劃青年拔尖人才，深圳市“孔雀計劃”海外高層次人才，深圳市高層次專業人才。主要研究方向：結合化學合成與微納制備，探索仿生智能材料（如光子晶體、智能高分子等）在穿戴與植入式材料與器件方面應用。近三年在Adv. Mater.,?Adv. Mater. Technol., J. Mater. Chem. C等國際知名期刊上發表多篇高水平論文。詳見課題組網頁：http://dugroup.siat.ac.cn/。

相關優質文獻推薦：

1. Lidong Zhang, Haoran Liang, Jolly Jacob. Pan?e Naumov, Nat. Commun., 2015, 6:7429, 1-8 (Highlighted by Nature Middle East).
2. Lidong Zhang, Pan?e Naumov. Angew. Chem. In. Ed., 2015, 54, 8642-8647 (VIP).
3. Lidong Zhang, Stanislav Chizhik,Yunze Wenand Pance Naumov, Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 1040.
4. Lidong Zhang, Israel Desta and Pance Naumov. Chem. Commun., 2016, 52, 5920-5923. (Highlighted by Back Cover Page).

材料人編輯部Allen整理。

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