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  濕度驅動材料作為一種環境敏感材料，在傳感器、能量轉換等方面具有廣闊的應用前景。濕度驅動的核心在于材料在濕度或者濕度梯度條件下實現不均勻膨脹。傳統的濕度驅動材料通過雙層的親水-疏水有機層構筑。其中親水有機物通過氫鍵有效地與水分子結合，從而實現膨脹變形。通過親水-疏水雙層構建的濕度響應材料僅僅具有單向彎曲的特性，所以其應用受限于單向運動模式。為了擴大濕度驅動材料的應用前景，一些具有水分子阻隔能力的物質，比如氧化石墨烯、納米纖維素薄膜等，也被用于設計濕度驅動材料。雖然這些物質能夠吸收水分并實現雙向彎曲，但是由于缺少疏水組分因此恢復時間較長。由于響應比較緩慢，其應用范圍也同樣受到限制。為了構建雙向彎曲、快速響應的濕度驅動材料，一種潛在的解決方案是在疏水的有機薄膜中大量引入親水的無機離子。很多的無機離子不僅可以通過氫鍵，還可以通過配位鍵與水分子結合，且結合能力更強，更迅速。但是受限于經典無機化合物的成核過程，大量的無機離子更傾向于通過聚集形成無機化合物，因此很難在離子尺度上保持與有機物的均勻復合。

  針對此類問題，浙江大學化學系唐睿康、劉昭明團隊在前期發展的無機離子寡聚體（Nature 2019, 574, 394-398）及有機無機共聚反應體系（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 2071-2075）基礎上，通過有機無機共聚將親水的碳酸鈣離子寡聚體與疏水的聚偏氟乙烯進行復合，通過有機無機相互交聯作用成功構筑了均勻透明共聚薄膜。薄膜中，無機物保留著離子寡聚狀態切能大量結合外來的水分子，使薄膜在潮濕空氣中吸水并膨脹，從而實現對環境的濕度快速響應。同時由于該薄膜結構均一，因而能進行雙向彎曲（圖1）。

圖1. (a)驅動薄膜暴露在干燥和潮濕棉布上的形狀變化以及結構示意圖；(b)當手指靠近薄膜時其向相反方向彎曲，移除手指后薄膜回歸初始狀態；(c)高分辨掃描透射電鏡下的復合薄膜。

  由于無機離子較有機官能團能與水形成更強的氫鍵，且離子寡聚體由于其小尺寸效應能與水分子充分作用的位點，所以共聚薄膜對水分子具有更強的作用力。而薄膜中聚偏氟乙烯疏水組分的存在則有利于水分子在低濕度條件下的排出。這種巧妙的設計使得該驅動薄膜對濕度梯度的響應速度與靈敏度均優于之前報道的其它雙向彎曲的濕度響應材料。這樣，有機無機共聚薄膜能夠在濕度梯度很低的冰表面上進行“自運動”(圖2)，將濕度梯度轉換為動能，這類新材料為自然能的開發與利用提供了一種新策略。該研究表明，通過無機離子寡聚體與疏水高分子進行復合可以為智能材料的設計和制造提供了新的思路，也進一步展示了有機無機共聚在材料制備上的優勢。

圖2.(a)距離冰表面不同高度的溫度以及絕對濕度；(b)冰塊上的驅動薄膜上下兩面處于不同的濕度環境中；(c)共聚薄膜能在冰表面上實現翻滾“自運動”。

  相關研究成果發表在Advanced Functional Materials期刊上。該研究受到國家自然科學基金的資助。論文的第一作者為浙江大學化學系博士生何彥和孔康任，通訊作者是浙江大學化學系唐睿康教授和劉昭明研究員。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202101291