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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)


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