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张利东:设计“不知疲倦”的仿生智能薄膜


发布时间:2017-08-30

  近日,华东师大紫江青年学者、化学与分子工程学院研究员张利东课题组(第一通讯作者单位)与中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏课题组合作,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象,通过模拟生物结构衍生规律,设计出了一种“不知疲倦”、快速响应的聚合物智能薄膜。这一成果日前以题为“Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators”发表在顶级期刊Advanced Materials上(影响因子19.79) 。


化学与分子工程学院研究员张利东课题组(第一通讯作者单位)在Advanced Materials发表研究成果

“不知疲惫”地运动

  随着人类对自然界生物结构了解与认识加深,通过材料与结构设计仿生大自然技术也日趋成熟,推动了刺激响应仿生材料的发展,基于刺激响应仿生材料研发的器件已经在工业、医疗、电子、军事等领域得到了较好的应用。然而,现有的理论分析认为,要实现高效可控的仿生性能,除了对材料仿生结构的精确设计之外,材料不仅要具有非常好的拉伸耐磨性能、对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能,还必须具有可逆的刺激响应行为,这些是刺激响应型仿生材料实现仿生性能的基本要素,也是拓展其应用的基本条件。

  例如,聚合薄膜往往想拥有快速响应、“不知疲倦”的运动特性,那就需要牺牲自身的机械性能。而张利东课题组研发的这款复合薄膜,通过别出心裁的材料选择与阵列化通道设计,使得薄膜在丙酮的蒸汽氛围中,会“不知疲倦”翩然起舞,并可以将薄膜卷曲成各种可控复杂结构。这是因为溶剂分子在薄膜中实现了差异化溶胀,进而驱动薄膜发生复杂形变运动。更为重要的是,该智能薄膜在经过溶剂氛围数天的反复刺激,却仍然保持着优异的机械性能。

动图1-3:智能薄膜定向卷曲,模拟花朵运动及在溶剂氛围中持久运动

  以廉价易得的高分子材料为研究对象,张利东课题组提出了双层膜设计理念,通过对材料简单的复合改性,制备了具有自驱动性能的高分子双层膜,并设计了各种柔性器件;杜学敏课题组基于光刻蚀技术,制备了带有微孔道结构的硅模板。科研团队利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面,使得制备的PVDF/PVA双层薄膜在结构上具有周期变化的机械张量,实现了双层膜的仿生性能,并通过外界刺激实现了对双层膜仿生行为的操控。

  张利东表示,该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性,并且通过对丙酮分子的快速吸收和释放,可实现双层膜的长时间连续定向形变。让惰性高分子“不知疲倦”地运动起来,可媲美自然界中复杂的运动方式。

图1:双层膜设计思路

图2:定向形变性能演示

  实验过程很有趣:当PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时,薄膜受到丙酮分子刺激产生右手性的缠绕运动。反之,微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在-30°或-60°时,薄膜表现出左手性的缠绕形变。当这种夹角保持在90°时,双层膜吸收丙酮分子而产生向着PVA层的定向弯曲形变。于是就有了图3的奇妙现象:花瓣形状的双层膜产生了像萝卜花一样的形变运动。

  当环境中丙酮浓度过高时,传感器自发形变接通电路,电灯亮;当丙酮浓度逐渐降低时,传感器恢复到原来形状断开电路,电灯灭。利用电灯的变化,可告知环境中丙酮蒸汽浓度的高低。因此,利用此种仿生运动设计的薄膜传感器,还可以长时间连续监测环境中丙酮浓度,从而极大地拓展了材料的应用潜质。同时,该双层膜对于外界丙酮蒸汽的刺激能够保持数小时连续可逆的响应,这为拓展刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域应用奠定了坚实的基础。

图3:花瓣形状的双层膜产生了像萝卜花一样的形变运动

小薄膜用途大

  普通聚合薄膜往往想拥有快速响应、“不知疲倦”的运动特性,就需要牺牲材料的机械性能,比如牺牲材料的杨氏模量(描述固体材料抵抗形变能力的物理量)、耐磨性、抗腐蚀等机械性能。这类普通聚合物薄膜现在已经可以广泛应用于医疗、电子及日常生活等方方面面。

  而张利东和杜学敏团队研制的仿生智能薄膜受刺激后,一旦撤除刺激源,薄膜可以迅速恢复其原来的机械性能,因此可达到“不知疲倦”的运动特性。另外,利用这种“不知疲倦”特性的薄膜设计成为柔性传感器,可以长期多次循环使用,大大节省了材料成本。

  未来,课题组一方面可将此薄膜设计成仅对丙酮分子刺激敏感的传感器,用于化工企业中实时监测环境中丙酮浓度,以及时预防丙酮对人的伤害。另一方面,可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔体机器人等领域的实际需求,个性化设计适用于不同领域的具体产品。以能量采集来举例,这种薄膜可以持久运动,如果利用持久运动特性来发电,可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用,而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。




文|张利东 杜学敏 部分来自《中国科学报》相关报道 图|吕安琪

来源|化学与分子工程学院 编辑|吕安琪



作者: | 信息来源:新闻网 | 浏览次数:1294

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