天津科大刘苇教授、侯庆喜教授团队 CEJ：高效多功能的Janus生物纳米复合膜用于可控的高灵敏水下制动器

2023-10-27 来源：高分子科技

近年来，利用刺激响应材料制备致动器受到了极大的关注，在药物递送、医疗保健、微型机器人等领域的应用日益广泛。目前，致动器所用刺激响应材料主要是通过化学或物理刺激引起形变。这些刺激响应材料在致动器和软体机器人中的应用主要受以下方面的限制：（1）急需可持续的、可生物降解的、丰富的聚合物作为原料；（2）灵活、精确的设计；（3）优异的性能，如响应快、精度高；（4）可规模化生产。因此，利用可持续和可生物降解的材料，通过灵活、精确的设计，制备具有快速响应的致动器是亟待开发的重要方向。

天津科技大学刘苇教授团队针对致动器在材料和设计方面面临的问题进行了研究。首先，从农业废弃物中制备了一种含木质素的纤维素纳米纤维（LCNF）；其次，将LCNF作为纳米填料引入聚乙烯醇（PVA）网络结构中，并通过调节其在PVA膜中的含量和分布，构建了一种具有Janus结构的生物纳米复合膜；然后，研究发现，该复合膜在液相中表现出了突出的强度性能、机械稳定性、耐水性和可重复变形等性能；该复合膜在不同种类、不同浓度的盐溶液中具有高灵敏和快速的响应性；最后，受该复合膜对盐的高灵敏度响应的启发，设计了流量开关和机械手，均表现出优异的智能可控的性能，探索了该复合膜用于水下致动器方面的应用潜力。在该研究中，（1）通过对LCNF在PVA网络结构中的合理调控，不仅为PVA网络提供了Janus结构，而且提高了PVA网络的氢键强度，提高了强度性能；（2）通过碱处理诱导PVA结晶，增强了PVA网络的交联程度，形成了高密度的耐水结构；（3）通过合理的预拉伸处理对复合膜的结构进一步调控，引发Janus膜的刺激响应性。这项研究对制备可持续和可生物降解的水下多功能制动器提供了一种新的策略。

图1. 生物纳米复合膜的制备工艺流程图（a），结构和变形机理（b），碱处理对复合膜的影响（c），对盐浓度刺激响应示意图（d）

图2.（a, b）LCNF/PVA干膜和LCNF/PVA-AT干膜的应力-应变曲线图；（c）LCNF/PVA-AT湿膜的应力-应变曲线；（d）不同含水率下LCNF/PVA-AT膜的应力-应变曲线图；（e）与其他研究的对比；（f）LCNF/PVA-AT薄膜和PVA-AT薄膜预拉伸前后的应力-应变曲线图；（g）LCNF/PVA-AT膜随水温变化的应力稳定性；（h, i）LCNF/PVA-AT湿膜的穿刺强度和形变恢复能力

图3.（a）LCNF/PVA-AT膜对盐的刺激响应；（b, d）LCNF/PVA-AT膜在NH₄Cl溶液中的形变；（e）LCNF/PVA-AT膜在2 mol/L NH₄Cl溶液中的弯曲角度；（f, g）预拉伸和LCNF含量对LCNF/PVA-AT膜形变的影响；（c, h）LCNF/PVA-AT膜在NH₄Cl溶液中的循环变形；（i） LCNF/PVA-AT膜与其他研究的对比

图4.（a）LCNF/PVA-AT的形变能力；（b, c）LCNF/PVA-AT作为流量开关的工作过程；（d）LCNF/PVA-AT机械手的工作过程

更多信息请参见Chemical Engineering Journal期刊论文“High performance and multifunctional Janus bio-nanocomposite film for underwater actuators with excellent sensitivity and controllability”。天津科技大学研究生任倩为该文第一作者，天津科技大学刘苇教授和侯庆喜教授为该文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、天津市自然科学基金重点项目的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141115

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（责任编辑：xu）

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