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刺激响应薄膜的仿生结构设计及能量转化研究进展
新材料
2017-12-28 09:26
作者  袁弋惠 张利东

利用物理及化学合成技巧模拟生物结构特征,制备具有仿生性能或仿生行为的刺激响应薄膜材料,具有明显的挑战性,但同时也赋予了材料新的应用价值,大大推动了仿生材料的发展。通过仿生材料研发的器件在工业、电子、军事等领域已得到了很好的应用,特别是柔性电子工业的发展对仿生软材料的需求越来越大,其未来的应用价值将更加巨大。

国内外对于刺激响应材料的研究发展非常迅速,尤其在光、热及湿气敏感性材料的研发方面取得了非常显著的研究成果。通过对材料的仿生结构进行设计,已经能够很好地控制薄膜的刺激响应行为,但在仿生结构模拟上及可持续响应性能上还存在诸多技术难题。传统的制备技术往往很难实现仿生行为和持续响应的完美结合,从而限制了材料的应用潜质。为此,华东师范大学化学与分子工程学院张利东教授带领的科研团队开展了刺激响应薄膜的仿生结构设计研究工作,并取得了一系列进展。

刺激响应薄膜的仿生结构设计及能量转化研究进展.jpg

在湿气刺激响应薄膜的研究方面,张利东教授科研团队首次提出环境友好的琼脂糖杂化薄膜。该薄膜对空气湿气驱动变形频率极高,是目前报道的最为敏感的湿气响应薄膜材料的典型代表。科研团队创新性地将该材料应用到高效的湿气能量转化中,使空气中的低温湿气连续地转化为机械能和电能。由于能量完全来自低温空气中的水蒸气,所以能量来源无限,而且在能量转换中不会对环境产生任何污染,为新型绿色能源的开发提供了全新的思路。同时,通过对该材料形变机理的研究,建立了新的能量转化机理模型,从宏观和微观两个方面阐明了高效湿气能量转化与材料结构性能的关系,为后续材料的发展提供了理论依据。基于对琼脂糖的结构研究与性能拓展,研发了一系列湿气驱动变形可控的薄膜制备方法。例如,通过引入光敏感元素,实现了光对湿气驱动琼脂糖薄膜的变形调控;通过在琼脂糖薄膜中定向嵌入玻璃纤维,实现了湿气驱动薄膜的可控变形,从而达到对能量转化的定量化。

刺激响应薄膜的仿生结构设计及能量转化研究进展 (2).jpg

在随后的研究中,为增加薄膜对刺激响应的可持续性,研究团队提出了利用丙酮蒸汽作为刺激源驱动薄膜形变的设计理念,并与中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏课题组合作,利用目前比较成熟的微纳加工技术制作出具有微孔道仿生结构的硅模板。以聚偏氟乙烯和聚乙烯醇高分子材料为研究对象,通过模拟生物结构衍生规律制备出新型智能柔性双层高分子膜材料。利用模板将微孔道仿生结构复制到聚偏氟乙烯膜表面,从而在结构上实现了双层膜的仿生性能,并通过丙酮分子刺激实现了对双层膜仿生行为的操控。相对于水蒸气,丙酮具有更高的挥发性能,因而可迅速释放,这使得薄膜可以迅速恢复其原来的机械性能,从而维持长时间可持续的运动特性。将该运动特征应用于设计薄膜传感器,可长时间检测环境中的丙酮浓度变化情况。薄膜传感器与电路相连,其功能相当于一种柔性智能开关,能有效感知环境中丙酮浓度的高低:浓度高,薄膜形变接通电路,电灯亮;丙酮浓度低,薄膜恢复形变断开电路,电灯灭。利用电灯的变化,可直观地预测环境中丙酮蒸汽浓度的高低,从而极大地拓展了材料的应用潜质。

刺激响应薄膜的仿生结构设计及能量转化研究进展 (3).jpg

研究团队目前对该领域的研究集中在增强刺激响应薄膜的柔韧性及拉伸耐磨性。初步研究结果表明,通过化学改性技巧制备的聚偏氟乙烯薄膜兼具柔韧性、光敏感性和丙酮敏感性,且具有强劲的机械性能,可极大地满足相关应用领域的需求。未来,该类薄膜的可持续运动有望在柔性机器人、自发电穿戴式、植入式电子器件方面获得进一步开发及应用。

致谢:感谢华东师范大学“紫江青年学者”项目的支持。

作者:袁弋惠、张利东

(袁弋惠,华东师范大学化学与分子工程学院学生;张利东,华东师范大学化学与分子工程学院教授,博士生导师,紫江青年学者。)

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