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“不知疲倦”可长久持续运动的仿生智能薄膜

通过仿生大自然设计出的智能高分子材料由于具有独特的功能特性,近年来已在医疗、电子、军事等领域展现出重要的应用。


然而,目前在刺激响应材料仿生结构模拟的研究中还存在诸多技术难题。理论分析认为,要实现高效可控的仿生性能,除了需要对材料仿生结构进行精确设计之外,材料要具有非常好的拉伸耐磨性,对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能;除此之外,这种材料必须具有可逆的刺激响应行为,这些都是刺激响应型仿生材料实现仿生性能的基本要素,也是拓展其应用的基本条件。因此只有设计合理的仿生结构、深入理解仿生机理、优化材料的机械性能,才能控制动态仿生过程、促进材料的应用。


最近,华东师范大学化学院张利东点击查看介绍课题组(第一通讯作者单位)与中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏点击查看介绍课题组(第二通讯作者单位)合作,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象,利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面,使得制备的PVDF/PVA双层薄膜在结构上具有周期变化的机械张量,当受外界刺激时,可实现对双层膜形变的调控


薄膜在丙酮的蒸汽氛围中,会“不知疲倦”地翩然起舞。这是因为溶剂分子在薄膜中实现了差异化溶胀,进而驱动薄膜发生复杂的形变运动。更为重要的是,该智能薄膜经过溶剂氛围数天的反复刺激,仍然保持着优异的机械性能。薄膜可通过不同的结构设计实现可控的定向运动。当PVDF膜表面的微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时,薄膜受到丙酮分子的刺激将产生右手性的缠绕运动。反之,微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在-30°或-60°时,薄膜表现出左手性的缠绕形变。当这种夹角保持在90°时,双层膜吸收丙酮分子产生向着PVA层的定向弯曲形变。


他们还将PVDF/PVA双层膜的复杂运动应用到不同的场景,如花瓣形状的双层膜吸收丙酮分子产生像萝卜花一样的形变运动。而且,他们进一步利用这种仿生运动设计了薄膜传感器,可以长时间连续监测环境中丙酮的浓度。当环境中丙酮浓度过高时,传感器自发形变接通电路,电灯发亮;当丙酮浓度逐渐降低时,传感器恢复到原来的形状并断开电路,电灯熄灭,因而可利用电灯的变化来指示环境中丙酮蒸汽浓度的高低。这一研究成果不仅提出了刺激响应性高分子可控运动的通用方法,而且赋予了智能高分子材料全新的运动特性。这种让惰性高分子“不知疲倦”地运动起来,媲美自然界中复杂的运动方式,将大大推动聚合物材料在传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域的重要应用,相关工作发表在Advanced Materials 上。


该论文作者为:Lidong Zhang, Pancˇe Naumov, Xuemin Du, Zhigao Hu, Juan Wang

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Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators

Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702231


作者简介


张利东,博士,华东师范大学研究员,紫江青年学者,博士生导师;主要从事智能高分子材料的制备及其对环境刺激响应性能的研究,近三年在Nat. Commun.Angew. Chem. Int. Ed.Adv. Mater.Adv. Funct. Mater.Chem. Commun. 等国际知名杂志上发表多篇同行评议论文。


http://www.x-mol.com/university/faculty/44750


杜学敏,博士,中国科学院深圳先进技术研究院副研究员,广东特支计划青年拔尖人才,深圳市“孔雀计划”海外高层次人才,深圳市高层次专业人才,主要研究方向:结合化学合成与微纳制备,探索仿生智能材料(如光子晶体、智能高分子等)在穿戴与植入式材料与器件方面的应用。近三年在Adv. Mater.Adv. Mater. Technol.J. Mater. Chem. C 等国际知名期刊上发表多篇高水平论文。


杜学敏

http://www.x-mol.com/university/faculty/44749

课题组主页

http://dugroup.siat.ac.cn/


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