宁波材料所陈涛/肖鹏团队《Acc. Mater. Res.》综述：碳基Janus薄膜 - 用于传感、驱动及其一体化柔性智能器件

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Janus薄膜由于具有不对称的结构和独特的物理或化学性质，在传感、驱动、能源管理和先进分离等方面表现出了巨大的应用潜力。其中，仿生柔性皮肤由于兼具灵敏感知、驱动和功能集成等特点，已经引起了人们广泛的研究兴趣。为实现这些特定的功能，需要选择合适的活性功能材料并以可控的方式形成不对称的结构。碳纳米材料由于具有优异的导电和导热性能、本征机械柔韧性、高化学和热稳定性、易于加工等优点，是一种极具应用前景的活性材料。碳纳米材料和功能聚合物以可控方式进行不对称结合可以促进高性能传感、驱动和集成器件的设计，从而推动智能软体机器人的发展。因此，迫切需要对碳基Janus薄膜的设计原则进行全面总结，并深入讨论表面/界面结构和性能之间的关系，以指导其在柔性智能设备中的应用。中国科学院宁波材料技术与工程研究所智能高分子材料团队陈涛研究员、肖鹏副研究员基于在碳基/高分子Janus薄膜的构筑及其柔性传感和驱动方面的长期研究基础，受邀在Accounts of Materials Research上发表题为“Carbon-based Janus Films Toward Flexible Sensors, Soft Actuators and Their Beyond”的综述文章, 系统总结了碳基Janus薄膜的制备策略、结构与性能关系以及传感和驱动及其一体化集成器件应用方面的研究进展，并对该领域的未来发展进行了展望。

图1  基于先进制造技术构建碳基Janus薄膜用于传感、驱动及其一体化智能柔性器件

在该综述中，作者首先讨论了几种常见的碳纳米材料（例如，碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯、石墨和炭黑等）的基本性质和优缺点，以此来引导人们根据所需的性能和应用场景选择合适的材料。随后介绍了碳基Janus薄膜通用的制备策略，并根据制备过程中基底不同，将其分为固体支撑的物理和化学策略以及液体支撑的界面策略。其中，重点讨论了不同的设计原则和表面或界面结构以及性能之间的关系，以此来指导设计高性能器件。具有不对称功能耦合的碳基Janus薄膜进一步通过构建特殊表面微结构来实现高性能电子皮肤的开发，同时还能以支撑和自支撑构型用于非接触式感知。此外，由于碳纳米材料优异的光热转化以及湿度响应性能和聚合物层的功能可设计性，碳基Janus薄膜在高性能光热驱动、湿度驱动以及多刺激响应驱动器中取得了巨大进展。基于碳材料优异的导电和传感性能，碳基Janus薄膜还可以设计成自感知软体驱动器，极大推动了智能软体机器人的发展。

尽管碳基Janus薄膜在传感、驱动和一体化柔性器件的开发中得到了长足的发展，但仍然存在一些问题和挑战亟需解决。首先，碳纳米材料应用到植入式传感或驱动器件中时，需要考虑和生物相容性材料进行复合或者对器件进行封装来降低毒性风险。其次，为实现稳定的驱动和精确的传感信号反馈，需要进一步提高两相界面的结合强度。同时，赋予碳基Janus薄膜多功能性，例如自愈合、抗腐蚀、耐高温、抗冻等，以增强其在复杂、恶劣环境中的适应性。不仅如此，还需探索高效易得的方法以实现碳基Janus薄膜可控图案化，来构建高精度、定位传感器和可编程的多阶段驱动器。最后，为实现碳基Janus薄膜的大规模生产以及推动其在智能软体机器人中的发展，结合可扩展的界面制备策略和先进的打印以及卷对卷加工等技术似乎是一种不错的选择。

该工作获得了国家自然科学基金（52073295）、国家重点研发计划（2022YFC2805204、2022YFC2805202）、国家自然科学基金委中德交流项目（M-0424）、浙江（之江）实验室开放研究项目（2022MG0AB01）、中国科学院前沿科学重点研发项目（QYZDB-SSW-SLH036）、王宽诚教育基金（GJTD-2019-13）等的支持。

原文链接

https://doi.org/10.1021/accountsmr.2c00213

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