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  濕度智能驅(qū)動(dòng)器（致動(dòng)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(zhuǎn)化為機(jī)械能的智能材料。傳統(tǒng)的濕度響應(yīng)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(yīng)幅度（如彎曲曲率），但由于缺乏結(jié)構(gòu)剛度，其驅(qū)動(dòng)力往往不足。

圖1 濕度響應(yīng)COF驅(qū)動(dòng)器的仿生構(gòu)建策略示意

  受生物結(jié)構(gòu)（如動(dòng)物手臂具有剛?cè)岵?jì)結(jié)構(gòu)）的啟發(fā)（圖1），南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)院張振杰課題組引入剛性框架材料（如共價(jià)有機(jī)框架，COFs）來(lái)模擬內(nèi)骨骼以增強(qiáng)材料的剛性和自支撐能力，同時(shí)引入柔性聚合物鏈（如聚乙二醇，PEG）來(lái)模擬肌肉組織以增強(qiáng)材料柔性并帶來(lái)驅(qū)動(dòng)功能，制備了一系列“剛?cè)?/span>并濟(jì)”的濕度響應(yīng)薄膜驅(qū)動(dòng)器（PEG-COF-x）（圖2）。

圖2 PEG-COF-x驅(qū)動(dòng)器的制備與表征

圖3 PEG-COF-x驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)機(jī)理的研究

  COF材料明晰有序的結(jié)構(gòu)便于研究驅(qū)動(dòng)器的濕度驅(qū)動(dòng)機(jī)制。通過(guò)粉末衍射、紅外光譜等表征發(fā)現(xiàn)PEG基團(tuán)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(qū)動(dòng)響應(yīng)。SEM電鏡數(shù)據(jù)證明PEG-COF-x膜具有一側(cè)致密，另一側(cè)松散的不對(duì)膜結(jié)構(gòu)（圖3f），使得其可在均勻水汽環(huán)境中產(chǎn)生彎曲運(yùn)動(dòng)（圖3a, 3b）。此外，得益于COFs對(duì)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(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。因此，PEG-COF-x膜可以在水面上方進(jìn)行自振蕩。當(dāng)PEG-COF-x膜垂直放置在水面上方時(shí)會(huì)受濕度刺激開(kāi)始彎曲遠(yuǎn)離水面，位置的變化伴隨著膜周?chē)h(huán)境濕度的降低，到達(dá)臨界位置時(shí)COF膜開(kāi)始脫附水分子并恢復(fù)至原始豎直形狀，這一過(guò)程可以循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)自發(fā)運(yùn)動(dòng)（圖4）。為了將自驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械功進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成電能，作者將PEG-COF-x濕度驅(qū)動(dòng)器與壓電聚偏氟乙烯（PVDF）復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械能到電能的高效轉(zhuǎn)化。在水面上方，該器件能夠穩(wěn)定的連續(xù)輸出電能超過(guò)兩天（圖5）。

圖4 PEG-COF-4驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用及自驅(qū)動(dòng)性能研究

圖5 濕度驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的組裝與性能

  綜上所述，作者將剛性COF材料與柔性PEG結(jié)合，成功地制備了一類(lèi)剛?cè)?/span>并濟(jì)的COF膜驅(qū)動(dòng)器。該策略顯著改善了復(fù)合膜的力學(xué)性能和濕度響應(yīng)性能。濕度驅(qū)動(dòng)器進(jìn)一步與壓電材料耦合，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連續(xù)的電能輸出。這項(xiàng)研究為可持續(xù)自發(fā)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備的開(kāi)發(fā)開(kāi)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(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上（DOI: 10.1002/anie.202216318）。南開(kāi)大學(xué)化學(xué)學(xué)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(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和111計(jì)劃的支持。

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