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  新一代濕度響應(yīng)驅(qū)動器可將環(huán)境中常見的水蒸發(fā)能高效轉(zhuǎn)化為機械變形或運動，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色高效的非接觸式驅(qū)動行為，是仿生肌肉、智能化器件領(lǐng)域的研究熱點之一。新型二維材料——MXene (Ti₃C₂T_x)因其同時具有良好的親水性和導(dǎo)電性，是濕度響應(yīng)驅(qū)動器理想的功能基材之一。然而MXene存在本征的機械脆性及在潮濕環(huán)境中的易氧化性，無法實現(xiàn)長期穩(wěn)定的驅(qū)動性能表現(xiàn)。此外，基于MXene二維納米片的多級結(jié)構(gòu)及層間水分子納米通道的構(gòu)筑問題，尚未有成熟的理論依據(jù)和設(shè)計方法得以支撐。

  近日，南京理工大學(xué)化工學(xué)院仿生功能材料研究小組在新一代智能濕度響應(yīng)驅(qū)動器研制工作中取得進展。相關(guān)工作以“A Moisture-Driven Actuator Based on Polydopamine-Modified MXene/Bacterial Cellulose Nanofiber Composite Film”為題發(fā)表在國際Top期刊Advanced Functional Materials上。

  利用MXenes實現(xiàn)濕度響應(yīng)的自驅(qū)動行為，首先需要面對分層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑問題。與傳統(tǒng)非對稱Janus結(jié)構(gòu)不同的是，多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)僅對產(chǎn)生濕度梯度的刺激環(huán)境具有響應(yīng)性，但豐富的界面效應(yīng)賦予了結(jié)構(gòu)內(nèi)具有充分的水分子納米通道構(gòu)筑空間，使得材料具有潛在的高靈敏度和響應(yīng)速度。此外，基于聚合物/二維材料的相互誘導(dǎo)自組裝策略已經(jīng)相對成熟，使得這種對稱性多層結(jié)構(gòu)的制備工藝得到大幅簡化。然而，大多MXenes在潮濕環(huán)境中容易快速發(fā)生氧化并降解為無定形碳和鈦氧化物，制約了其作為濕度響應(yīng)材料的優(yōu)越性能。

圖1 PDMM/BCNF復(fù)合膜制備工藝方案以及微觀結(jié)構(gòu)

  本項工作中，研究團隊采用原位自發(fā)聚合的方法在MXene納米片層表面均勻修飾了一層聚多巴胺（PDA）薄層，在幾乎不犧牲MXene導(dǎo)電性的同時，解決了MXene納米片抗氧化性的科學(xué)問題；此外利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)控的超細(xì)化細(xì)菌纖維素納米纖維（BCNF）（相關(guān)研究成果詳見本團隊另一項工作Cellulose, DOI: 10.1007/s10570-021-03765-2）作為粘結(jié)支撐柔性基底，通過與MXene/PDA在減壓環(huán)境中的相互誘導(dǎo)自組裝過程，獲得了具有仿珍珠層狀結(jié)構(gòu)的薄膜驅(qū)動器（PDMM/BCNF），有利于水分子快速傳輸納米通道的進一步實現(xiàn)。這種薄膜驅(qū)動器對環(huán)境中的濕度變化高度敏感，具有響應(yīng)快(1.6 s)、變形大(176°)、驅(qū)動力輸出高(6.5 N m^-2)的特點，同時兼具高電導(dǎo)率、優(yōu)異的抗拉強度和韌性等優(yōu)勢。

圖2 PDMM/BCNF薄膜對水蒸氣的可逆響應(yīng)

  在該研究報告中，研究團隊從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度驗證了高效濕驅(qū)動執(zhí)行器的制備策略，揭示了PDA增強MXene抗氧化性能的機理，改善了目前基于MXene的驅(qū)動器的典型問題。同時系統(tǒng)討論了PDMM/BCNF薄膜的驅(qū)動特性，包括它作為一種新型的濕控電氣開關(guān)、機械臂和快速移動的濕驅(qū)動電機的可行性(圖3)。值得注意的是，由于該薄膜的制備方法簡單，工作性能穩(wěn)定，可作為一種多功能化的致動工作單元，通過進一步的結(jié)構(gòu)組裝實現(xiàn)復(fù)雜的致動行為，并用于多種智能化電子器件、可穿戴設(shè)備和軟機器人。

圖3 基于PDMM/BCNF膜執(zhí)行器的多功能智能設(shè)備概念演示

  本論文第一作者為南京理工大學(xué)博士研究生楊魯豫，南京理工大學(xué)化工學(xué)院在站博士后陳嘯博士與孫東平教授為論文的共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國博士后特別資助項目的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101378