南京理工大学教务处
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新一代湿度响应驱动器可将环境中常见的水蒸发能高效转化为机械变形或运动，能够实现绿色高效的非接触式驱动行为，是仿生肌肉、智能化器件领域的研究热点之一。新型二维材料——MXene (Ti3C2Tx)因其同时具有良好的亲水性和导电性，是湿度响应驱动器理想的功能基材之一。然而MXene存在本征的机械脆性及在潮湿环境中的易氧化性，无法实现长期稳定的驱动性能表现。此外，基于MXene二维纳米片的多级结构及层间水分子纳米通道的构筑问题，尚未有成熟的理论依据和设计方法得以支撑。
近日，南京理工大学化工学院仿生功能材料研究小组在新一代智能湿度响应驱动器研制工作中取得进展。相关工作以“A Moisture-Driven Actuator Based on Polydopamine-Modified MXene/Bacterial Cellulose Nanofiber Composite Film”为题发表在国际Top期刊Advanced Functional Materials上。
利用MXenes实现湿度响应的自驱动行为，首先需要面对分层异质结构的构筑问题。与传统非对称Janus结构不同的是，多层异质结构仅对产生湿度梯度的刺激环境具有响应性，但丰富的界面效应赋予了结构内具有充分的水分子纳米通道构筑空间，使得材料具有潜在的高灵敏度和响应速度。此外，基于聚合物/二维材料的相互诱导自组装策略已经相对成熟，使得这种对称性多层结构的制备工艺得到大幅简化。然而，大多MXenes在潮湿环境中容易快速发生氧化并降解为无定形碳和钛氧化物，制约了其作为湿度响应材料的优越性能。
图1 PDMM/BCNF复合膜制备工艺方案以及微观结构
本项工作中，研究团队采用原位自发聚合的方法在MXene纳米片层表面均匀修饰了一层聚多巴胺（PDA）薄层，在几乎不牺牲MXene导电性的同时，解决了MXene纳米片抗氧化性的科学问题；此外利用结构优化调控的超细化细菌纤维素纳米纤维（BCNF）（相关研究成果详见本团队另一项工作Cellulose, DOI: 10.1007/s10570-021-03765-2）作为粘结支撑柔性基底，通过与MXene/PDA在减压环境中的相互诱导自组装过程，获得了具有仿珍珠层状结构的薄膜驱动器（PDMM/BCNF），有利于水分子快速传输纳米通道的进一步实现。这种薄膜驱动器对环境中的湿度变化高度敏感，具有响应快(1.6 s)、变形大(176°)、驱动力输出高(6.5 N m-2)的特点，同时兼具高电导率、优异的抗拉强度和韧性等优势。
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图2 PDMM/BCNF薄膜对水蒸气的可逆响应
在该研究报告中，研究团队从结构设计的角度验证了高效湿驱动执行器的制备策略，揭示了PDA增强MXene抗氧化性能的机理，改善了目前基于MXene的驱动器的典型问题。同时系统讨论了PDMM/BCNF薄膜的驱动特性，包括它作为一种新型的湿控电气开关、机械臂和快速移动的湿驱动电机的可行性(图3)。值得注意的是，由于该薄膜的制备方法简单，工作性能稳定，可作为一种多功能化的致动工作单元，通过进一步的结构组装实现复杂的致动行为，并用于多种智能化电子器件、可穿戴设备和软机器人。
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图3 基于PDMM/BCNF膜执行器的多功能智能设备概念演示
本论文第一作者为南京理工大学博士研究生杨鲁豫，南京理工大学化工学院在站博士后陈啸博士与孙东平教授为论文的共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金和中国博士后特别资助项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202101378
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