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北航程群峰教授團隊 Sci. Adv.:創制了MXene復合纖維人工肌肉
2025-01-09  來源:高分子科技

  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。




  “科學探索獎”2024年獲獎人北京航空航天大學化學學院教授程群峰課題組2021年首次發現并實驗證實了納米復合材料制備過程中因毛細收縮產生的孔隙缺陷結構1。隨后,該課題組進一步開發了有序界面橋聯1、納米限域2、液態金屬填充3、卷對卷輔助刮涂4等組裝策略,通過降低孔隙率,制備出了一系列高性能二維納米復合材料。近期,該課題組與德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman院士合作,將MXene納米片實現纖維徑向排列,通過纖維素納米纖維(CNFs)調控MXene片層間孔隙率,創制了新穎的MXene復合纖維人工肌肉(MFAMs)5,探索了MXene納米材料在人工肌肉領域的應用。

  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。


1:MXene復合纖維人工肌肉收縮驅動的機理圖


  由于MXene具有優異的焦耳熱和光熱轉換性能,MXene復合纖維人工肌肉在電熱和光熱刺激下也展示了快速且穩定的響應收縮驅動性能,其收縮行程和做功能力高于其它非扭轉、熱驅動纖維人工肌肉(圖2)。此外,具有非扭轉結構的MXene復合纖維人工肌肉具有高度可編織性,可以制備復雜形狀的驅動器。例如,由4根MXene復合纖維連接的人工假肢在808 nm近紅外激光照射時可以驅動自身重量2000倍的手臂200次以上,而8根MXene復合纖維組成的智能抓手則在照射近紅外激光時響應收縮,可以實現玩具球的抓取、轉移和釋放。


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。


  該工作得到國家杰出青年科學基金(52125302)、科技部重點研發計劃(2021YFA0715700)、原創探索計劃項目(52350012)、國家自然科學基金面上項目(22075009)及新基石科學基金會所設立的科學探索獎的資助。


  論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560


來源:

1.Wan, S., Li, X., Chen, Y. et al. High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification. Science 374, 96-99 (2021).

2.Yang, J., Li, M., Fang, S. et al. Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage. Science 383, 771-777 (2024).

3.Li, W., Zhou, T., Zhang, Z. et al. Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal. Science 385, 62-68 (2024).

4.Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103-1110 (2024).

5.Fu, J., Li, Y., Zhou, T. et al. Large stroke radially-oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles. Sci. Adv. 11, eadt1560 (2025). 

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(責任編輯:xu)
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