人工肌肉在外界刺激下能夠發生收縮、旋轉等驅動,因而在機器人、智能織物和假肢等領域引起了廣泛關注。目前人工肌肉的制備材料,主要包括碳納米管纖維、聚合物纖維、液晶彈性體等,通常需要加捻或扭曲等復雜工藝,同時制備的人工肌肉存在響應單一、收縮行程有限、驅動力弱以及應用場景受限等瓶頸問題。
MXene/CNFs復合納米片通過由窄變寬的紡絲針頭,巨大的膨脹應力會消除紡絲過程中導致復合納米片軸向排列的剪切力,然后再經過乙醇凝固浴,制備MXene納米片徑向取向的MXene復合纖維人工肌肉(MFAMs)。在25oC至125oC溫度范圍區間,MXene復合纖維人工肌肉可提起自身重量1000倍以上的物體,最大收縮行程為21%,做工能力達1.76 J g-1,是自然肌肉的45倍。原位變溫表征和模擬結果揭示了MXene復合纖維人工肌肉的收縮驅動機制(圖1)。隨著溫度的升高,氫鍵網絡取向排列誘導MXene納米片層間距降低,從而導致MXene/CNFs復合納米片被拉平取向,這種“壓縮”效應降低了孔隙率,實現了MXene復合纖維人工肌肉的收縮驅動。
圖1:MXene復合纖維人工肌肉收縮驅動的機理圖
圖2:MXene復合纖維人工肌肉(MFAMs)與其它非扭轉、熱驅動纖維人工肌肉的驅動性能對比圖(A),MFAMs在人工假肢上的應用展示(B)
這項開創性研究成果在人工肌肉領域具有里程碑的意義,其核心創新在于首次制備了MXene復合纖維人工肌肉,為解決人工肌肉響應單一、收縮行程有限、驅動力弱以及應用場景受限等瓶頸問題提供了新思路。這一成果不僅拓展了MXene納米材料在人工肌肉領域應用的知識邊界,也為二維納米材料的組裝與應用研究提供了新方向。
論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560
來源:
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4.Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103-1110 (2024).
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