近年來，濕度智能驅(qū)動(dòng)器受到了較多的關(guān)注，它可以將濕度激發(fā)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最終呈現(xiàn)為智能驅(qū)動(dòng)器的宏觀機(jī)械形變。對(duì)于濕度驅(qū)動(dòng)器來說，它的關(guān)鍵在于利用材料或結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能不匹配性來完成相關(guān)的智能動(dòng)作或指令。故濕度驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于結(jié)合材料與結(jié)構(gòu)的特性。綜合學(xué)者們對(duì)濕度驅(qū)動(dòng)器的研究，在制備設(shè)計(jì)過程中，常見的濕度驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理可大致概括為兩類：第一類是利用材料之間親水能力的差異來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和變形，常見的結(jié)構(gòu)有Janus結(jié)構(gòu)或三明治結(jié)構(gòu)。這一類濕度驅(qū)動(dòng)器有著明確的驅(qū)動(dòng)機(jī)理和可控的形變方向，但在大角度形變或運(yùn)動(dòng)上，仍有待提高。第二類是關(guān)于相同材料的復(fù)合結(jié)構(gòu)，它主要利用結(jié)構(gòu)上的差異來實(shí)現(xiàn)濕度驅(qū)動(dòng)響應(yīng)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為力學(xué)形變。其雖在角度形變方面具有優(yōu)勢(shì)，但可能需要更多時(shí)間去完成。故如何通過合理的材料選擇和科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備出綜合驅(qū)動(dòng)性能更為優(yōu)異的濕度驅(qū)動(dòng)器是目前仍需解決的問題。
針對(duì)上述問題，北京化工大學(xué)潘凱教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)朱林利教授團(tuán)隊(duì)向自然界模仿學(xué)習(xí)，受到自然界軟體爬行動(dòng)物的形態(tài)及運(yùn)動(dòng)方式的啟發(fā)，突破了上述常見的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合力學(xué)模擬等多學(xué)科角度，制備出一種仿生周期梯度結(jié)構(gòu)的單純GO膜濕度驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)角度大，響應(yīng)速率快，驅(qū)動(dòng)行為可逆，循環(huán)重復(fù)性好的優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能。
周期排列微結(jié)構(gòu)
研究發(fā)現(xiàn)在自然界中，無脊椎軟體爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方式與其身體結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系，如毛毛蟲的分段結(jié)構(gòu)。經(jīng)啟發(fā)，作者利用模板法設(shè)計(jì)出具有有序微結(jié)構(gòu)的GO膜，如圖1，可看出GO膜中具有周期排列的疏松及致密區(qū)域，二者片層間距有著明顯差異且存有一定梯度。
圖1 （a-b）具有周期梯度微結(jié)構(gòu)GO膜的制備機(jī)制；（c）周期分段結(jié)構(gòu)GO膜的SEM斷面圖；（d-e）疏松區(qū)域及致密區(qū)域的EDX分析。
濕度驅(qū)動(dòng)性能
濕度驅(qū)動(dòng)性能是濕度驅(qū)動(dòng)器的關(guān)鍵，為清晰的定量分析，作者對(duì)響應(yīng)彎曲角（θ °）進(jìn)行自定義，如圖2，并進(jìn)行對(duì)仿生GO膜進(jìn)行“濕度驅(qū)動(dòng)響應(yīng)形變、響應(yīng)速率、循環(huán)性”驅(qū)動(dòng)性能測(cè)試，結(jié)果表明GO膜可在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到約1000 °的彎曲形變，且經(jīng)過“高濕度-低濕度”多次循環(huán)測(cè)試仍保持穩(wěn)定的響應(yīng)角度；且同比于其他石墨烯基濕度驅(qū)動(dòng)器，高濕度下仿生GO膜的驅(qū)動(dòng)速率及形變角度更具優(yōu)勢(shì)。
圖2 （a）響應(yīng)角度示意圖；（b）在不同的相對(duì)濕度（RH）下彎曲形變角度圖；（c）在一系列相對(duì)濕度下響應(yīng)時(shí)間及彎曲形變角度；（d）高低濕度下彎曲形變重復(fù)性實(shí)驗(yàn)；（e）驅(qū)動(dòng)速率及形變角度對(duì)比圖。
多學(xué)科角度驅(qū)動(dòng)機(jī)理探究
為了定量地揭示仿生GO膜的濕度驅(qū)動(dòng)機(jī)理，本文基于機(jī)械原理建立了一個(gè)力學(xué)模型，采用有限元方法進(jìn)行模擬分析，以深入了解驅(qū)動(dòng)行為在幾何結(jié)構(gòu)、濕度及力學(xué)形變間的關(guān)系。作者提出，以單個(gè)疏密周期結(jié)構(gòu)為例，相對(duì)濕度的增加允許更多的水分子進(jìn)入GO片層間的空隙空間，從而導(dǎo)致GO膜沿薄膜的橫向方向膨脹，其中膨脹力與GO片層之間的層距離成反比。因此，當(dāng)濕度增加時(shí)，GO薄膜中，致密段的膨脹力大于疏松部分的膨脹力，這種膨脹力的差異是驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源。同時(shí)在給定四分之一單元中，由于這兩個(gè)表面的層間距離不同，具有相同極角的上下表面的膨脹力是不同的，被認(rèn)為是形變方向的決定性因素。如圖3所示，結(jié)果表明，模擬分析得到的形變效果與實(shí)際記錄結(jié)果有很好的吻合性，充分說明上述提出的驅(qū)動(dòng)機(jī)理及建立的力學(xué)模型的科學(xué)性。
圖3 （a）GO膜驅(qū)動(dòng)器的機(jī)械模型；（b）微結(jié)構(gòu)中驅(qū)動(dòng)機(jī)制示意圖；（c）局部GO膜的受力分析示意圖；（d）宏觀及微觀形變示意圖；（e-f）有限元模擬仿真結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
驅(qū)動(dòng)應(yīng)用
優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)賦予仿生GO膜廣闊的應(yīng)用空間，作者根據(jù)周期梯度GO薄膜的特性，成功制備了類似于毛毛蟲爬行運(yùn)動(dòng)的智能行走裝置（圖4），在循環(huán)濕度驅(qū)動(dòng)下，可在帶有間隔相同的棘輪印記的紙板爬行移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了智能行走裝置的可控可設(shè)計(jì)。
圖4 仿生智能步行設(shè)備在棘輪基板上的運(yùn)動(dòng)照片，“on”和“off”分別表示增加和減少相對(duì)濕度。
結(jié)合仿生GO膜的結(jié)構(gòu)可知，由于周期性的微觀結(jié)構(gòu)的存在，仿生GO膜濕度驅(qū)動(dòng)器具有各向異性，因此，根據(jù)該種特性并結(jié)合自然界植物卷曲形態(tài)的啟發(fā)，作者對(duì)GO膜沿著與微結(jié)構(gòu)排列方向呈0 °、45 °、90 °的方向進(jìn)行裁剪，以實(shí)現(xiàn)方向及形態(tài)的控制（圖5），并為可編程式智能濕度驅(qū)動(dòng)提供了廣闊的思路及發(fā)展空間。
圖5 0 °、45 °、90 °的切割角度下，GO膜的仿生各向異性彎曲形變。
該研究成果以“Bio-inspired high sensitivity of moisture-mechanical GO films with period-gradient structures”為題，發(fā)表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c07956）。論文的第一作者為北京化工大學(xué)碩士研究生王銘銻、浙江大學(xué)碩士研究生李祺聰，通訊作者為北京化工大學(xué)潘凱教授和浙江大學(xué)朱林利教授。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c07956
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