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  新一代濕度響應驅動器可將環境中常見的水蒸發能高效轉化為機械變形或運動，能夠實現綠色高效的非接觸式驅動行為，是仿生肌肉、智能化器件領域的研究熱點之一。新型二維材料——MXene (Ti₃C₂T_x)因其同時具有良好的親水性和導電性，是濕度響應驅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境中的易氧化性，無法實現長期穩定的驅動性能表現。此外，基于MXene二維納米片的多級結構及層間水分子納米通道的構筑問題，尚未有成熟的理論依據和設計方法得以支撐。

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

  利用MXenes實現濕度響應的自驅動行為，首先需要面對分層異質結構的構筑問題。與傳統非對稱Janus結構不同的是，多層異質結構僅對產生濕度梯度的刺激環境具有響應性，但豐富的界面效應賦予了結構內具有充分的水分子納米通道構筑空間，使得材料具有潛在的高靈敏度和響應速度。此外，基于聚合物/二維材料的相互誘導自組裝策略已經相對成熟，使得這種對稱性多層結構的制備工藝得到大幅簡化。然而，大多MXenes在潮濕環境中容易快速發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材料的優越性能。

圖1 PDMM/BCNF復合膜制備工藝方案以及微觀結構

  本項工作中，研究團隊采用原位自發聚合的方法在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導電性的同時，解決了MXene納米片抗氧化性的科學問題；此外利用結構優化調控的超細化細菌纖維素納米纖維（BCNF）（相關研究成果詳見本團隊另一項工作Cellulose, DOI: 10.1007/s10570-021-03765-2）作為粘結支撐柔性基底，通過與MXene/PDA在減壓環境中的相互誘導自組裝過程，獲得了具有仿珍珠層狀結構的薄膜驅動器（PDMM/BCNF），有利于水分子快速傳輸納米通道的進一步實現。這種薄膜驅動器對環境中的濕度變化高度敏感，具有響應快(1.6 s)、變形大(176°)、驅動力輸出高(6.5 N m^-2)的特點，同時兼具高電導率、優異的抗拉強度和韌性等優勢。

圖2 PDMM/BCNF薄膜對水蒸氣的可逆響應

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

圖3 基于PDMM/BCNF膜執行器的多功能智能設備概念演示

  本論文第一作者為南京理工大學博士研究生楊魯豫，南京理工大學化工學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