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  濕度智能驅動器（致動器）是一種在水蒸氣刺激下可以可逆地改變其形狀/體積，將水汽能轉化為機械能的智能材料。傳統的濕度響應材料主要由天然纖維素、水凝膠和線性高分子等組成。這些體系通常具有較大的柔性和響應幅度（如彎曲曲率），但由于缺乏結構剛度，其驅動力往往不足。

圖1 濕度響應COF驅動器的仿生構建策略示意

  受生物結構（如動物手臂具有剛柔并濟結構）的啟發（圖1），南開大學化學學院張振杰課題組引入剛性框架材料（如共價有機框架，COFs）來模擬內骨骼以增強材料的剛性和自支撐能力，同時引入柔性聚合物鏈（如聚乙二醇，PEG）來模擬肌肉組織以增強材料柔性并帶來驅動功能，制備了一系列“剛柔并濟”的濕度響應薄膜驅動器（PEG-COF-x）（圖2）。

圖2 PEG-COF-x驅動器的制備與表征

圖3 PEG-COF-x驅動器驅動機理的研究

  COF材料明晰有序的結構便于研究驅動器的濕度驅動機制。通過粉末衍射、紅外光譜等表征發現PEG基團吸水溶脹使COF層間膨脹，脫水后使COF層收縮（圖3e），從而引起材料的智能驅動響應。SEM電鏡數據證明PEG-COF-x膜具有一側致密，另一側松散的不對膜結構（圖3f），使得其可在均勻水汽環境中產生彎曲運動（圖3a, 3b）。此外，得益于COFs對水汽的快速吸附和脫附行為（圖3c, 3d），使得其在微小濕度變化下產生運動。因此，PEG-COF-x膜可以在水面上方進行自振蕩。當PEG-COF-x膜垂直放置在水面上方時會受濕度刺激開始彎曲遠離水面，位置的變化伴隨著膜周圍環境濕度的降低，到達臨界位置時COF膜開始脫附水分子并恢復至原始豎直形狀，這一過程可以循環往復實現連續自發運動（圖4）。為了將自驅動產生的機械功進一步轉化成電能，作者將PEG-COF-x濕度驅動器與壓電聚偏氟乙烯（PVDF）復合，實現了機械能到電能的高效轉化。在水面上方，該器件能夠穩定的連續輸出電能超過兩天（圖5）。

圖4 PEG-COF-4驅動器的應用及自驅動性能研究

圖5 濕度驅動發電機的組裝與性能

  綜上所述，作者將剛性COF材料與柔性PEG結合，成功地制備了一類剛柔并濟的COF膜驅動器。該策略顯著改善了復合膜的力學性能和濕度響應性能。濕度驅動器進一步與壓電材料耦合，可實現穩定連續的電能輸出。這項研究為可持續自發能量轉換設備的開發開辟了一條新道路。

  該工作以“Engineering Covalent Organic Frameworks with Polyethylene Glycol as Self-Sustained Humidity-Responsive Actuators”為題發表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI: 10.1002/anie.202216318）。南開大學化學學院研究生毛天暉、劉沼沂為共同第一作者，張振杰研究員為通訊作者。該研究得到了程鵬教授、國家自然科學基金面上項目和111計劃的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202216318