浙江科技大学沙力争/童欣、纽布伦斯威克大学倪永浩 JMCA：连续履带式自组装实现高灵敏、可逆、可定向控制的湿气驱动器及发电器

2024-08-22 来源：高分子科技

近年来，具有先进功能的可适应、可穿戴且智能的设备已成为材料科学研究的焦点。水是一种无处不在的自然资源，对人类健康和环境平衡至关重要，湿度驱动器利用水的固有特性脱颖而出。因此，研究人员正在积极探索创新方法，以设计出兼具灵活性、恢复性、环境友好性和机械性能的柔性湿度驱动器。然而，开发具有快速响应和恢复速度、大弯曲度和可控变形的湿度驱动器仍然面临着巨大的挑战。

蛇类动物具有可在各种地形中穿行的无与伦比的运动能力，浙江科技大学绿色纸基功能材料团队联合University of New Brunswick倪永浩教授从蛇类生物结构中汲取灵感，并受到能够模仿其独特运动模式和跟踪能力的履带式蛇形机器人的启发，开发了一种连续履带式结构的高性能湿度驱动器（图1）。研究以“A carbon nanofiber/Ti₃C₂T_X/carboxymethyl cellulose composite-based highly sensitive, reversible, directionally controllable humidity actuator and generator via continuous track-inspired self-assembly”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。童欣博士为文章第一作者，沙力争教授和倪永浩教授为共同通讯作者。

图1：基于CNFs/MXene/CMC复合膜连续履带式驱动器制备示意图

利用具有“波峰”和“波谷”（让人联想到蛇形结构）的波浪形铝箔模具，设计出了履带式CNFs/MXene/CMC复合薄膜。在复合膜自组装过程中，重力会导致CMC和MXene的分布不均，完全蒸发后，形成具有周期性排列微结构的连续各向异性薄膜（图 2）。值得注意的是，这种各向异性薄膜由链节和铰链两部分组成。位于波谷区的链节部分厚度约为 15 微米（图 2d），而波峰区则过渡到厚度约为 4 微米的铰链部分（图 2e）。

图2：(a、b）纯 MXene 薄膜和平整的 CNFs/MXene/CMC 复合薄膜的截面扫描电镜图像；（c-f）连续履带式CNFs/MXene/CMC 复合薄膜的截面和俯视扫描电镜图像；（g-j）CNFs/MXene/CMC复合薄膜截面的扫图谱显示了 C、O 和 Ti 的元素分布。

图3a-d显示了MXene/CMC薄膜驱动器在20%至95%相对湿度范围内不同 MXene含量下的弯曲度、响应时间和恢复时间。同时，通过密度泛函理论计算了水、CMC和MXene的静电势 (ESP) 分布（图 3e），揭示驱动器响应机理。

图3：(a-c) 不同 MXene 含量的MXene/CMC薄膜在不同相对湿度条件下的弯曲角度、响应时间和恢复时间；(d) MX₁₀/CMC驱动器在95%相对湿度条件下弯曲角度的图片；(e) 水、CMC和MXene分子的静电势分布图以及微结构中驱动机制的示意图。

值得注意的是，蛇形连续履带式机器人/驱动器对湿度变化更加敏感，仅需 1.2 秒就能实现360°的最大弯曲角度（图4）。此外，这种基于CNFs/MXene/CMC薄膜的连续履带式湿度机器人/驱动器还具有快速响应和恢复速度快、弯曲度大和变形可控等显著特点（图5）。该研究提出了一种简单而有效的方法，用于制备高效的湿度响应驱动器，其应用领域广泛，包括环境监测、非接触式人机交互、湿气发电以及其他各种智能可控驱动领域。

图4：(a-c) 不同 CNFs 含量的 MXene/CMC 薄膜在不同相对湿度条件下的弯曲角度、响应时间和恢复时间；(d) 连续履带式CNFs₆/MX₁₀/CMC 激励器在不同相对湿度条件下的动态弯曲角度；(e) MX₁₀/CMC驱动器和连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC驱动器在95%相对湿度条件下的角度变化； (f) 相对湿度反复变化10个周期时驱动器的可逆变形；(g) 平面和连续履带式CNFs₆/MX₁₀/CMC 驱动器弯曲相关形状变形的有限元分析结果；以及(h)连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC驱动器与文献报道的湿度驱动器在相对湿度差、弯曲角度、响应时间和恢复时间方面的比较。

图5：(a) 戴手套和不戴手套时手掌上CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的变形；(b) 基于连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的爬行装置快照；(c) 蛇形机器人的运动模式；(d) 连续履带式 CNFs/MXene/CMC 薄膜在可控方向上的设计和力学模拟；以及 (e) 手掌上连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜的切换过程。

图6：(a) 连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜作为受湿度控制的开关的应用；(b) 连续履带式 CNFs₆/MX₁₀/CMC 薄膜将湿度转换为电能的输出电压过程；(c) 在口腔呼吸和加湿器的周期性湿度刺激下的输出电压曲线；以及 (d) 湿度-电能发生器示意图。

感谢国家自然科学基金（22308333）、浙江省“尖兵”“领雁”研发攻关计划（2022C01066）、天津市制浆造纸重点实验室开放基金（202202）和Canada Research Chair''''s program of the Government of Canada（231308）的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D4TA04397A

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（责任编辑：xu）

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