清华大学核研院杨洋和化学系吉岩、张莹莹《Matter》：具有多重刺激响应性和多重愈合性能的柔性驱动器

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柔性驱动器可响应外界刺激（光、热、电、磁、湿度、溶剂等）、并将外界刺激直接转换成机械能，从而发生自身形状、位移的改变。它们在柔性机器人、可穿戴设备、电子设备等领域有广阔的应用前景，吸引了研究者的广泛关注。目前，基于水凝胶、液晶弹性体、双层或多层聚合物等材料的柔性驱动器已被大量报道。

若同时赋予柔性驱动器多重刺激响应性和多重愈合性能，有望使柔性驱动器在不同的使用环境中，可随时随地用周边易获取的工具进行自愈或驱动，这对拓宽其应用范围有重要意义。但目前已经报道的具有多重刺激响应性或具有多重愈合性能的柔性驱动器很少，而同时具有两种多重性能的柔性驱动器几乎没有。现已报道的柔性驱动器大多数都只能通过一种或两种刺激进行驱动，少数基于热塑性塑料或水凝胶的柔性驱动器有三种或四种刺激响应性，但其力学性能差或只能在水环境中使用；只有基于动态共价键或非共价键的柔性驱动器能自愈合，但也只可通过一种或两种刺激进行自愈合/自修复。制备同时具有两种多重性能的柔性驱动器仍是很大的挑战。

近日，清华大学核研院杨洋博士和清华大学化学系吉岩副教授、张莹莹副教授制备了基于环氧树脂类玻璃高分子（vitrimer）和碳化蚕丝的柔性驱动器，该柔性驱动器不仅对4种刺激（光、热、电、溶剂）具有响应性，同时可用5种刺激（光、热、电、电磁波、溶剂）进行自愈合/自修复，实现了柔性驱动器同时具有多重响应性和多重愈合的性能，有望使柔性驱动器和复合材料在工业上有更广泛的应用。

图1  基于类玻璃高分子和碳化蚕丝的柔性驱动器具有多重刺激响应性（光、热、电、溶剂）和多重愈合性能（光、热、电、电磁波、溶剂）

该柔性驱动器是将碳化蚕丝通过简单热压法嵌入类玻璃高分子的表层获得的纳米复合材料。类玻璃高分子是含动态共价键的交联网络。本研究所用的环氧树脂类玻璃高分子含有动态酯键，在高温下，快速的酯交换反应使交联网络的拓扑结构发生改变，从而使类玻璃高分子不仅在成型后可再加工、重塑形、焊接，还使其具有自愈合的性能。碳化蚕丝由市场上购买的、最普通的平纹编织的真丝面料经过高温碳化而成。

首先，柔性驱动器在光、电、热、电磁波和溶剂刺激下，可高效地、反复地自愈合/自修复（图2）。这是因为该柔性驱动器复合材料结合了碳化蚕丝和柔性驱动器的各自特点：碳化蚕丝具有很好的光热效应、电热效应、电磁-热效应，可将光能、电能、电磁波转换为热，从而引发类玻璃高分子的酯交换反应和网络拓扑结构的改变，使柔性驱动器复合材料可用光、电和电磁波进行划痕、孔、伤口、裂纹的自愈合；类玻璃高分子自身对热和溶剂具有响应性，可用热和溶剂进行自愈合/自修复。其次，柔性驱动器复合材料具有多重响应性，可用光、电、热、溶剂来引发其可逆形变（图1）。这是因为类玻璃高分子和碳化蚕丝具有不同的热膨胀系数和溶胀系数，两者在热或溶剂中的形变程度不同，使复合材料整体发生弯曲形变。且当撤去热和溶剂时，弯曲形状可恢复至原始形状。因碳化蚕丝具有光热效应、电热效应，柔性驱动器还可用光和电驱动其可逆形变。

综上所述，该研究中基于类玻璃高分子和碳化蚕丝的柔性驱动器不仅对4种刺激（光、热、电、溶剂）具有快速的响应性，还可用5种刺激（光、热、电、电磁波、溶剂）进行划痕、裂纹、伤口等的自愈合（图2），且愈合后没有明显的机械性能和愈合效率的下降。

图2  柔性驱动器通过电、光、电磁波、溶剂、热愈合划痕和针孔（a），且愈合后没有明显的机械性能下降（b, c）

此外，该复合材料还有其他优点，例如碳化蚕丝嵌入类玻璃高分子表层可避免多层结构的分层现象，基于环氧树脂热固性材料的复合材料具有很好的力学性能，类玻璃高分子的网络流动特性使复合材料可再加工、可回收、可持续利用等。本研究中的柔性驱动器复合材料是一种有应用前景的自修复材料，特别是在建筑工业、柔性电子设备、可穿戴传感器等领域；且有望应用于不同的场景/应用，通过周边易获取、方便的工具（如一束光或一滴溶剂）来自修复或引发其变形。

以上研究成果以“Vitrimer-based soft actuators with multiple responsiveness and self-healing ability triggered by multiple stimuli”为题发表在Matter上。清华大学核研院杨洋博士为文章的第一作者和通讯作者，清华大学化学系吉岩副教授和张莹莹副教授为共同通讯作者。清华大学核研院何向明教授、王建龙教授，清华大学化学系危岩教授、王惠民博士和张帅博士生参与了该研究。该研究得到了国家自然科学基金、科技部重点研发计划项目、清华大学自主科研计划项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.08.009

相关进展

清华大学危岩教授和吉岩副教授课题组在《Prog. Mater. Sci.》发表关于环氧树脂类玻璃体材料的综述

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