北化大潘凯教授团队、浙大朱林利教授团队：具有仿生微结构的“新一代”氧化石墨烯智能湿度驱动膜

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近年来，湿度智能驱动器受到了较多的关注，它可以将湿度激发的化学能转化为机械能，最终呈现为智能驱动器的宏观机械形变。对于湿度驱动器来说，它的关键在于利用材料或结构的机械性能不匹配性来完成相关的智能动作或指令。故湿度驱动器的设计关键在于结合材料与结构的特性。综合学者们对湿度驱动器的研究，在制备设计过程中，常见的湿度驱动器的设计原理可大致概括为两类：第一类是利用材料之间亲水能力的差异来实现能量转换和变形，常见的结构有Janus结构或三明治结构。这一类湿度驱动器有着明确的驱动机理和可控的形变方向，但在大角度形变或运动上，仍有待提高。第二类是关于相同材料的复合结构，它主要利用结构上的差异来实现湿度驱动响应，进而转化为力学形变。其虽在角度形变方面具有优势，但可能需要更多时间去完成。故如何通过合理的材料选择和科学的结构设计制备出综合驱动性能更为优异的湿度驱动器是目前仍需解决的问题。

针对上述问题，北京化工大学潘凯教授团队、浙江大学朱林利教授团队向自然界模仿学习，受到自然界软体爬行动物的形态及运动方式的启发，突破了上述常见的设计理念，结合力学模拟等多学科角度，制备出一种仿生周期梯度结构的单纯GO膜湿度驱动器，实现了响应角度大，响应速率快，驱动行为可逆，循环重复性好的优异驱动性能。

周期排列微结构

研究发现在自然界中，无脊椎软体爬行动物的运动方式与其身体结构有着密切的联系，如毛毛虫的分段结构。经启发，作者利用模板法设计出具有有序微结构的GO膜，如图1，可看出GO膜中具有周期排列的疏松及致密区域，二者片层间距有着明显差异且存有一定梯度。

图1 （a-b）具有周期梯度微结构GO膜的制备机制；（c）周期分段结构GO膜的SEM断面图；（d-e）疏松区域及致密区域的EDX分析。

湿度驱动性能

湿度驱动性能是湿度驱动器的关键，为清晰的定量分析，作者对响应弯曲角（θ °）进行自定义，如图2，并进行对仿生GO膜进行“湿度驱动响应形变、响应速率、循环性”驱动性能测试，结果表明GO膜可在短时间内达到约1000 °的弯曲形变，且经过“高湿度-低湿度”多次循环测试仍保持稳定的响应角度；且同比于其他石墨烯基湿度驱动器，高湿度下仿生GO膜的驱动速率及形变角度更具优势。

图2 （a）响应角度示意图；（b）在不同的相对湿度（RH）下弯曲形变角度图；（c）在一系列相对湿度下响应时间及弯曲形变角度；（d）高低湿度下弯曲形变重复性实验；（e）驱动速率及形变角度对比图。

多学科角度驱动机理探究

为了定量地揭示仿生GO膜的湿度驱动机理，本文基于机械原理建立了一个力学模型，采用有限元方法进行模拟分析，以深入了解驱动行为在几何结构、湿度及力学形变间的关系。作者提出，以单个疏密周期结构为例，相对湿度的增加允许更多的水分子进入GO片层间的空隙空间，从而导致GO膜沿薄膜的横向方向膨胀，其中膨胀力与GO片层之间的层距离成反比。因此，当湿度增加时，GO薄膜中，致密段的膨胀力大于疏松部分的膨胀力，这种膨胀力的差异是驱动的动力源。同时在给定四分之一单元中，由于这两个表面的层间距离不同，具有相同极角的上下表面的膨胀力是不同的，被认为是形变方向的决定性因素。如图3所示，结果表明，模拟分析得到的形变效果与实际记录结果有很好的吻合性，充分说明上述提出的驱动机理及建立的力学模型的科学性。

图3 （a）GO膜驱动器的机械模型；（b）微结构中驱动机制示意图；（c）局部GO膜的受力分析示意图；（d）宏观及微观形变示意图；（e-f）有限元模拟仿真结果及实验结果。

驱动应用

优异的驱动性能及独特的结构设计赋予仿生GO膜广阔的应用空间，作者根据周期梯度GO薄膜的特性，成功制备了类似于毛毛虫爬行运动的智能行走装置（图4），在循环湿度驱动下，可在带有间隔相同的棘轮印记的纸板爬行移动，实现了智能行走装置的可控可设计。

图4 仿生智能步行设备在棘轮基板上的运动照片，“on”和“off”分别表示增加和减少相对湿度。

结合仿生GO膜的结构可知，由于周期性的微观结构的存在，仿生GO膜湿度驱动器具有各向异性，因此，根据该种特性并结合自然界植物卷曲形态的启发，作者对GO膜沿着与微结构排列方向呈0 °、45 °、90 °的方向进行裁剪，以实现方向及形态的控制（图5），并为可编程式智能湿度驱动提供了广阔的思路及发展空间。

图5  0 °、45 °、90 °的切割角度下，GO膜的仿生各向异性弯曲形变。

该研究成果以“Bio-inspired high sensitivity of moisture-mechanical GO films with period-gradient structures”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c07956）。论文的第一作者为北京化工大学硕士研究生王铭锑、浙江大学硕士研究生李祺聪，通讯作者为北京化工大学潘凯教授和浙江大学朱林利教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c07956

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