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浙江科技大學沙力爭/童欣、紐布倫斯威克大學倪永浩 JMCA：連續履帶式自組裝實現高靈敏、可逆、可定向控制的濕氣驅動器及發電器

2024-08-22 來源：高分子科技

近年來，具有先進功能的可適應、可穿戴且智能的設備已成為材料科學研究的焦點。水是一種無處不在的自然資源，對人類健康和環境平衡至關重要，濕度驅動器利用水的固有特性脫穎而出。因此，研究人員正在積極探索創新方法，以設計出兼具靈活性、恢復性、環境友好性和機械性能的柔性濕度驅動器。然而，開發具有快速響應和恢復速度、大彎曲度和可控變形的濕度驅動器仍然面臨著巨大的挑戰。

蛇類動物具有可在各種地形中穿行的無與倫比的運動能力，浙江科技大學綠色紙基功能材料團隊聯合University of New Brunswick倪永浩教授從蛇類生物結構中汲取靈感，并受到能夠模仿其獨特運動模式和跟蹤能力的履帶式蛇形機器人的啟發，開發了一種連續履帶式結構的高性能濕度驅動器（圖1）。研究以“A carbon nanofiber/Ti₃C₂T_X/carboxymethyl cellulose composite-based highly sensitive, reversible, directionally controllable humidity actuator and generator via continuous track-inspired self-assembly”為題發表在《Journal of Materials Chemistry A》上。童欣博士為文章第一作者，沙力爭教授和倪永浩教授為共同通訊作者。

圖1：基于CNFs/MXene/CMC復合膜連續履帶式驅動器制備示意圖

利用具有“波峰”和“波谷”（讓人聯想到蛇形結構）的波浪形鋁箔模具，設計出了履帶式CNFs/MXene/CMC復合薄膜。在復合膜自組裝過程中，重力會導致CMC和MXene的分布不均，完全蒸發后，形成具有周期性排列微結構的連續各向異性薄膜（圖 2）。值得注意的是，這種各向異性薄膜由鏈節和鉸鏈兩部分組成。位于波谷區的鏈節部分厚度約為 15 微米（圖 2d），而波峰區則過渡到厚度約為 4 微米的鉸鏈部分（圖 2e）。

圖2：(a、b）純 MXene 薄膜和平整的 CNFs/MXene/CMC 復合薄膜的截面掃描電鏡圖像；（c-f）連續履帶式CNFs/MXene/CMC 復合薄膜的截面和俯視掃描電鏡圖像；（g-j）CNFs/MXene/CMC復合薄膜截面的掃圖譜顯示了 C、O 和 Ti 的元素分布。

圖3a-d顯示了MXene/CMC薄膜驅動器在20%至95%相對濕度范圍內不同 MXene含量下的彎曲度、響應時間和恢復時間。同時，通過密度泛函理論計算了水、CMC和MXene的靜電勢 (ESP) 分布（圖 3e），揭示驅動器響應機理。

圖3：(a-c) 不同 MXene 含量的MXene/CMC薄膜在不同相對濕度條件下的彎曲角度、響應時間和恢復時間；(d) MX₁₀/CMC驅動器在95%相對濕度條件下彎曲角度的圖片；(e) 水、CMC和MXene分子的靜電勢分布圖以及微結構中驅動機制的示意圖。

值得注意的是，蛇形連續履帶式機器人/驅動器對濕度變化更加敏感，僅需 1.2 秒就能實現360°的最大彎曲角度（圖4）。此外，這種基于CNFs/MXene/CMC薄膜的連續履帶式濕度機器人/驅動器還具有快速響應和恢復速度快、彎曲度大和變形可控等顯著特點（圖5）。該研究提出了一種簡單而有效的方法，用于制備高效的濕度響應驅動器，其應用領域廣泛，包括環境監測、非接觸式人機交互、濕氣發電以及其他各種智能可控驅動領域。

圖4：(a-c) 不同 CNFs 含量的 MXene/CMC 薄膜在不同相對濕度條件下的彎曲角度、響應時間和恢復時間；(d) 連續履帶式CNFs₆/MX₁₀/CMC 激勵器在不同相對濕度條件下的動態彎曲角度；(e) MX₁₀/CMC驅動器和連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC驅動器在95%相對濕度條件下的角度變化； (f) 相對濕度反復變化10個周期時驅動器的可逆變形；(g) 平面和連續履帶式CNFs₆/MX₁₀/CMC 驅動器彎曲相關形狀變形的有限元分析結果；以及(h)連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC驅動器與文獻報道的濕度驅動器在相對濕度差、彎曲角度、響應時間和恢復時間方面的比較。

圖5：(a) 戴手套和不戴手套時手掌上CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的變形；(b) 基于連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的爬行裝置快照；(c) 蛇形機器人的運動模式；(d) 連續履帶式 CNFs/MXene/CMC 薄膜在可控方向上的設計和力學模擬；以及 (e) 手掌上連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的切換過程。

圖6：(a) 連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜作為受濕度控制的開關的應用；(b) 連續履帶式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜將濕度轉換為電能的輸出電壓過程；(c) 在口腔呼吸和加濕器的周期性濕度刺激下的輸出電壓曲線；以及 (d) 濕度-電能發生器示意圖。

感謝國家自然科學基金（22308333）、浙江省“尖兵”“領雁”研發攻關計劃（2022C01066）、天津市制漿造紙重點實驗室開放基金（202202）和Canada Research Chair''''s program of the Government of Canada（231308）的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D4TA04397A

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（責任編輯：xu）

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