The Innovation | “翩翩起舞”的石墨烯

导 读

电驱动器是一种对电刺激迅速做出可视化形变响应的器件，具有响应速度快、精确度高等突出优点。石墨烯具有独特的物理化学性质（如：优异的导电、导热、机械性能等），是制备电驱动器的理想材料。本文总结了近年来基于石墨烯材料的主流电驱动器，主要包括静电型、电热型、离子型等，并讨论了石墨烯电驱动器在未来发展中的机遇与挑战。

图1 图文摘要

驱动器是一种在外部信号（如光、温度、pH、湿度、电场和磁场等）的刺激下实现可控形状变形的器件。在各种刺激响应型的驱动器中，电驱动器具有快速响应、精确控制、可控形状变化等特点，在电子皮肤、软体机器人、人造肌肉等领域拥有广阔的应用前景。

作为一种二维纳米碳材料，石墨烯具有独特的物理化学性质，如：优异的导电、导热、机械性能和高比表面积等。因此，石墨烯及其复合材料受到了广泛关注，激发了广大研究人员的兴趣，成为开发电驱动器的理想材料。同时，不断发展的石墨烯制备方法也推动着石墨烯电驱动器的快速发展。

图2 石墨烯及其衍生物电驱动器的工作原理及特征

目前，根据工作原理，基于石墨烯及其衍生物制备的电驱动器主要有三种类型（图2）：

静电型驱动器

主要依靠两个相互接近的石墨烯电极表面所带电荷间的吸引力与排斥力导致器件发生形变。石墨烯优异的导电和机械性能使石墨烯成为理想的电极材料。通常，静电型驱动器产生的静电力与施加在石墨烯电极两端的电压、两个电极之间的距离以及几何形状有关，这种驱动形式可以达到纳米级的高精度位移（图3）。

图3 石墨烯静电型驱动器

电热型驱动器

由不同热膨胀系数的双层/多层材料组成。电热层将电能转化为热能，然后多层材料间发生非均匀热膨胀，使器件产生弯曲变形。石墨烯材料具有较低的热膨胀系数和良好的导电、导热能力，可以起到降低器件功耗、改善响应时间等作用。石墨烯电热型驱动器制备工艺多种多样，特别是利用激光加工的方法可以简便地制备图案化、周期性结构化的石墨烯电极，用于驱动器发生复杂的三维变形（图4）。

图4 石墨烯电热型驱动器

离子型电驱动器

包含两个电极和一个电解质层。当接收到外界电信号刺激时，电解质中的阳离子会迁移并插入阴极，而阴离子迁移并插入阳极。由于阳离子和阴离子的半径不同，两个电极层之间发生非均匀膨胀，导致整个离子型驱动器弯曲。因此，离子型驱动器的电极要求电极材料和电解质材料之间具有充分的接触。值得注意的是，相对于传统的贵金属电极，石墨烯电极耐腐蚀、强柔韧性及显著的膨胀性能（图5）。

图5 石墨烯离子型电驱动器

总结和展望

本文归纳总结了近年来基于石墨烯及其衍生物电驱动器的研究进展。从致动原理、发展历程、制备方法、工作性能等角度对典型石墨烯电驱动器进行了概述。此外，还对此类器件的新兴潜在应用，如：人造肌肉、仿生机器人、人机交互和智能系统等进行了总结。最后讨论了石墨烯电驱动器发展面临的挑战和未来的前景。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00093-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第二卷第四期以Review发表的“Electro-responsive actuators based on graphene” (投稿: 2021-04-07；接收: 2021-09-22；在线刊出: 2021-09-24)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100168

引用格式：Zhang Y., Li J., Zhou H., et al. (2021). Electro-responsive actuators based on graphene. The Innovation. 2(4),100168.

作者简介

张永来，吉林大学教授，博士生导师。张永来教授团队聚焦非硅MEMS制造和驱动难题，提出了基于超快激光加工技术的解决方案，攻克了材料组分受限、表面特性调控和器件柔性集成等MEMS制造复杂性问题；提出了飞秒激光诱导MEMS器件“成型-智能化-驱动”三元协同制备新方法，实现系列非硅MEMS外场可控驱动，开拓了飞秒激光非硅MEMS制造的前沿研究领域。近五年，在Nat. Commun.，Natl. Sci. Rev.，Adv. Mater.，Laser Photon. Rev.等学术期刊发表第一/通讯作者SCI论文54篇，近五年它引4159次，H因子45（Web of Science）。研究成果被Nature、美国光学学会、美国机械工程师协会、国家科技部等官方报道25次。2018年获吉林省青年科技奖，2015年获国家自然科学基金优秀青年基金资助，主持国家自然科学基金重点项目1项。

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