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  智能驅動器即是指可以自發的將外部刺激（溫度、濕度、光等）轉化為機械運動的裝置。氧化石墨烯（GO）因自身富含親水性能的含氧官能團，故常被用來制備濕度驅動器。利用不同材料在濕度條件下吸水溶脹的差異性，將氧化石墨烯（GO）與其他材料結合制得Janus結構薄膜，是制得濕度驅動器常見的方法。不過，Janus薄膜的制備一般略為復雜，對兩種材料間的粘接性要求也極為嚴格。

  近日，為突破傳統Janus薄膜濕度驅動器的限制，北京化工大學潘凱研究員課題組成功制備了一種基于非對稱結構、單純氧化石墨烯（AGO）薄膜的濕度驅動器。對氧化石墨烯薄膜的微觀結構進行設計調控，形成一側為褶皺層（AGO-W）、一側為相對平滑層（AGO-S）的非對稱結構。這種結構上的非對稱設計使得氧化石墨烯薄膜在濕度相對較低時，向褶皺層一側彎曲形變；濕度相對較高時，則向平滑層一側彎曲，表現出較為快速平穩的響應速率，及高于傳統濕度驅動薄膜彎曲角度的宏觀大形變量。

圖1：非對稱氧化石墨烯膜濕度驅動器的制備

  這種非對稱結構、純氧化石墨烯（AGO）薄膜的制備方法簡單易操作，即將GO懸浮液均勻涂覆在預拉伸的彈性基底表面并干燥，利用彈性基底的應力釋放回縮，形成褶皺層，隨后在褶皺層表面再次涂覆GO懸浮液至褶皺層完全覆蓋，以形成平滑層，待完全干燥后剝離即可。

圖2：非對稱結構、純氧化石墨烯薄膜的SEM圖片及拉曼表征

圖a：AGO光滑面SEM圖；圖b、c：AGO褶皺面SEM圖；圖d、e：AGO斷面SEM圖；圖f：AGO拉曼表征譜圖；

  從SEM圖中可看出，AGO-S表面相對光滑，而AGO-W表面有著緊湊有序排列的褶皺結構，使得GO膜有著明顯的結構非對稱性；同時，斷面圖中可觀察到褶皺層及平滑層之間存在一定的空腔結構，這都為濕度條件下AGO膜的宏觀大形變量奠定了一定基礎。

圖3：非對稱結構、氧化石墨烯薄膜的實物圖及驅動機理

圖a：AGO膜光滑面及褶皺面實物圖；圖b：AGO膜在低濕度及高濕度下的彎曲形變；圖c、d、e：AGO膜的濕度驅動機理；

  與其他濕度驅動材料相比，GO具有豐富的含氧官能團，表現出優異的吸濕性能。AGO膜在濕度條件下發生的響應形變關鍵就在于GO吸水或解吸時的體積變化，高濕度時，GO表面的含氧官能團與水分子結合產生氫鍵，GO片層間由于層間水的存在而膨脹；反之低濕度時，層間失水，氫鍵遭到破壞，層間距繼而變小。同時AGO因兩側的微觀非對稱結構，在吸水或失水時表現出體積變化量的差異，使得AGO膜受到相反方向的驅動力，最終形成高低濕度下方向不同的彎曲大形變。

  以上相關成果已發表在Nanoscale（DOI: 10.1039/c8nr01785a），通訊作者為潘凱研究員，第一作者為研究生邱遠游，研究生王銘銻作為共同第一作者。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/nr/c8nr01785a