石墨烯-碳纳米管-镍纳米异质结构，增强人造肌肉

“人造肌肉”是一类智能材料，能够在外加刺激下（例如电场）通过材料的结构改变实现类似真正肌肉的伸缩、弯曲等动作，在生物医学材料、机器人、传感器、柔性电子器件等多个领域都有潜在的用途。在人造肌肉研究领域中，仿生柔性离子致动器（ionic actuators），以其低能耗、空气中高稳定性、变形响应迅速等优点，受到广泛深入的研究。特别是离子聚合物-金属复合材料（ionic polymer-metal composite，IPMC）致动器，在柔性电子器件领域有着广泛的发展前景。不过柔性离子致动器也有不少难以避免的不足，比如输出力较弱、制备复杂、不耐干燥等等，这大大限制了它的应用范围。

近日，韩国科学技术院（KAIST）的Il-Kwon Oh课题组在Small 杂志上发表封面文章，研究了三维石墨烯-碳纳米管-镍纳米异质结构（G-CNT-Ni）在人造肌肉中的应用。通过该材料和离子聚合物的复合，形成导电三维网状结构，既能保证人造肌肉的机械性能，又能提高离子导电率（0.254 S•m⁻¹）。基于G-CNT-Ni的人造肌肉具有良好的电活性致动性能，包括更大的弯曲形变、更强的输出力以及更持久的稳定性。

当期Small 杂志封面。图片来源：Small

作者通过连续微波法制备了G-CNT-Ni纳米异质结构。其中二茂镍可以作为催化剂，催化碳纳米管在石墨烯表面垂直生长。该材料在商用微波炉中即可完成制备。

G-CNT-Ni纳米异质结构制备示意图。图片来源：Small

G-CNT-Ni纳米异质结构扫描电镜图片。图片来源：Small

随后，作者将G-CNT-Ni材料和离子聚合物混合，以增强复合层的电导率和机械性能。其中，全氟磺酸树脂（Nafion）是半结晶聚合物，由不导电的结晶区和导电的非晶区组成。G-CNT-Ni材料的嵌入，可以连接非晶区，从而导致离子更快地传输，提高导电率。

柔性离子致动器示意图。图片来源：Small

复合材料的机械性能的提高非常明显。当G-CNT-Ni质量分数达到10%时，复合膜的拉伸模量为69.28 MPa，是纯全氟磺酸树脂的2.66倍（26.07 MPa）；拉伸强度也比全氟磺酸膜提高了98%。

不同G-CNT-Ni质量分数的复合膜照片及机械性能测试。图片来源：Small

随后，作者对复合膜进行了电活性人造肌肉的致动测试。通过外加电场，加入G-CNT-Ni的复合材料的正弦弯曲偏移曲线更加明显。其主要原因是该材料具有更强的输出力。此外，在高频下，复合膜具有更好地致动性能。持续4小时连续致动下，耐久性能保持在93%的水平。

基于G-CNT-Ni的“人造肌肉”致动性能测试。图片来源：Small

“人造肌肉”领域其实涉及电致形变、离子导体聚合物等许多热门方向。或许，这一领域可以拓展许多新材料的应用范围。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Soft but Powerful Artificial Muscles Based on 3D Graphene–CNT–Ni Heteronanostructures

Small, 2017, 13, 1701314, DOI: 10.1002/smll.201701314

（本文由小希供稿）