“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的张利东（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的杜学敏（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

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