浙江大学唐睿康、刘昭明团队AFM：基于有机无机共聚开发高灵敏度湿度驱动器

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湿度驱动材料作为一种环境敏感材料，在传感器、能量转换等方面具有广阔的应用前景。湿度驱动的核心在于材料在湿度或者湿度梯度条件下实现不均匀膨胀。传统的湿度驱动材料通过双层的亲水-疏水有机层构筑。其中亲水有机物通过氢键有效地与水分子结合，从而实现膨胀变形。通过亲水-疏水双层构建的湿度响应材料仅仅具有单向弯曲的特性，所以其应用受限于单向运动模式。为了扩大湿度驱动材料的应用前景，一些具有水分子阻隔能力的物质，比如氧化石墨烯、纳米纤维素薄膜等，也被用于设计湿度驱动材料。虽然这些物质能够吸收水分并实现双向弯曲，但是由于缺少疏水组分因此恢复时间较长。由于响应比较缓慢，其应用范围也同样受到限制。为了构建双向弯曲、快速响应的湿度驱动材料，一种潜在的解决方案是在疏水的有机薄膜中大量引入亲水的无机离子。很多的无机离子不仅可以通过氢键，还可以通过配位键与水分子结合，且结合能力更强，更迅速。但是受限于经典无机化合物的成核过程，大量的无机离子更倾向于通过聚集形成无机化合物，因此很难在离子尺度上保持与有机物的均匀复合。

针对此类问题，浙江大学化学系唐睿康、刘昭明团队在前期发展的无机离子寡聚体（Nature 2019, 574, 394-398）及有机无机共聚反应体系（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2071-2075）基础上，通过有机无机共聚将亲水的碳酸钙离子寡聚体与疏水的聚偏氟乙烯进行复合，通过有机无机相互交联作用成功构筑了均匀透明共聚薄膜。薄膜中，无机物保留着离子寡聚状态切能大量结合外来的水分子，使薄膜在潮湿空气中吸水并膨胀，从而实现对环境的湿度快速响应。同时由于该薄膜结构均一，因而能进行双向弯曲（图1）。

图1. (a)驱动薄膜暴露在干燥和潮湿棉布上的形状变化以及结构示意图；(b)当手指靠近薄膜时其向相反方向弯曲，移除手指后薄膜回归初始状态；(c)高分辨扫描透射电镜下的复合薄膜。

由于无机离子较有机官能团能与水形成更强的氢键，且离子寡聚体由于其小尺寸效应能与水分子充分作用的位点，所以共聚薄膜对水分子具有更强的作用力。而薄膜中聚偏氟乙烯疏水组分的存在则有利于水分子在低湿度条件下的排出。这种巧妙的设计使得该驱动薄膜对湿度梯度的响应速度与灵敏度均优于之前报道的其它双向弯曲的湿度响应材料。这样，有机无机共聚薄膜能够在湿度梯度很低的冰表面上进行“自运动”(图2)，将湿度梯度转换为动能，这类新材料为自然能的开发与利用提供了一种新策略。该研究表明，通过无机离子寡聚体与疏水高分子进行复合可以为智能材料的设计和制造提供了新的思路，也进一步展示了有机无机共聚在材料制备上的优势。

图2.(a)距离冰表面不同高度的温度以及绝对湿度；(b)冰块上的驱动薄膜上下两面处于不同的湿度环境中；(c)共聚薄膜能在冰表面上实现翻滚“自运动”。

相关研究成果发表在Advanced Functional Materials期刊上。该研究受到国家自然科学基金的资助。论文的第一作者为浙江大学化学系博士生何彦和孔康任，通讯作者是浙江大学化学系唐睿康教授和刘昭明研究员。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202101291

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