人工肌肉在外界刺激下能夠發(fā)生收縮、旋轉(zhuǎn)等驅(qū)動,因而在機(jī)器人、智能織物和假肢等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。目前人工肌肉的制備材料,主要包括碳納米管纖維、聚合物纖維、液晶彈性體等,通常需要加捻或扭曲等復(fù)雜工藝,同時(shí)制備的人工肌肉存在響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動力弱以及應(yīng)用場景受限等瓶頸問題。
MXene/CNFs復(fù)合納米片通過由窄變寬的紡絲針頭,巨大的膨脹應(yīng)力會消除紡絲過程中導(dǎo)致復(fù)合納米片軸向排列的剪切力,然后再經(jīng)過乙醇凝固浴,制備MXene納米片徑向取向的MXene復(fù)合纖維人工肌肉(MFAMs)。在25oC至125oC溫度范圍區(qū)間,MXene復(fù)合纖維人工肌肉可提起自身重量1000倍以上的物體,最大收縮行程為21%,做工能力達(dá)1.76 J g-1,是自然肌肉的45倍。原位變溫表征和模擬結(jié)果揭示了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動機(jī)制(圖1)。隨著溫度的升高,氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向排列誘導(dǎo)MXene納米片層間距降低,從而導(dǎo)致MXene/CNFs復(fù)合納米片被拉平取向,這種“壓縮”效應(yīng)降低了孔隙率,實(shí)現(xiàn)了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動。
圖1:MXene復(fù)合纖維人工肌肉收縮驅(qū)動的機(jī)理圖
圖2:MXene復(fù)合纖維人工肌肉(MFAMs)與其它非扭轉(zhuǎn)、熱驅(qū)動纖維人工肌肉的驅(qū)動性能對比圖(A),MFAMs在人工假肢上的應(yīng)用展示(B)
這項(xiàng)開創(chuàng)性研究成果在人工肌肉領(lǐng)域具有里程碑的意義,其核心創(chuàng)新在于首次制備了MXene復(fù)合纖維人工肌肉,為解決人工肌肉響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動力弱以及應(yīng)用場景受限等瓶頸問題提供了新思路。這一成果不僅拓展了MXene納米材料在人工肌肉領(lǐng)域應(yīng)用的知識邊界,也為二維納米材料的組裝與應(yīng)用研究提供了新方向。
論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560
來源:
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