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仿生智能薄膜:让惰性高分子“动起来”

来源:中国科学报 作者:沈春蕾、丁宁宁 2017-08-08 14:39:41
内容摘要: 近日,华东师范大学化学院博士生导师张利东课题组与杜学敏课题组合作,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象,通过模拟生物结构衍生规律,制备出新型智能柔性双层高分子膜材料。

PVDF/PVA 双层膜的仿生形变。

  这种薄膜可以持久运动,如果利用持久运动特性来发电,可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用,而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。

  花瓣形状的双层薄膜吸收丙酮分子后,花瓣翩翩起舞,犹如一朵在风中摇弋的萝卜花。“这是聚偏氟乙烯/聚乙烯醇双层膜的仿生形变。”中国科学院深圳先进技术研究院副研究员杜学敏告诉《中国科学报》记者。

  近日,华东师范大学化学院博士生导师张利东课题组与杜学敏课题组合作,以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象,通过模拟生物结构衍生规律,制备出新型智能柔性双层高分子膜材料。

  一场偶然的相遇

  2016年上半年,张利东的身份还是在纽约大学阿布达比分校从事博士后工作的学者,机缘巧合,他和杜学敏都参加了在新加坡举行的国际会议,两人均在会上作了学术报告,并且认真聆听了各自的报告。

  “我们算是小同行,会上交流特别顺畅,对彼此的研究也非常感兴趣。”杜学敏在得知张利东准备回国发展后,便于2016年下半年邀请他来到深圳先进院指导交流,双方的合作也围绕高分子膜材料正式开启。

  随着人类对自然界生物结构了解与认识加深,通过材料与结构设计仿生大自然技术也日趋成熟,推动了刺激响应仿生材料的发展。张利东指出:“近年来,基于刺激响应仿生材料研发的器件已经在工业、医疗、电子、军事等领域得到了较好的应用。”

  杜学敏说:“在未来,仿生软材料应用价值将更加巨大,特别是在柔性电子工业,仿生传感器,软体机器人等方面将拥有广阔的前景。”然而,当前在刺激响应材料仿生结构模拟上还存在诸多技术难题。

  张利东透露,现有的理论分析认为,要实现高效可控的仿生性能,除了对材料仿生结构的精确设计之外,材料不仅要具有非常好的拉伸耐磨性能、对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能,还必须具有可逆的刺激响应行为,这些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。

  杜学敏称:“只有设计合理的仿生结构、深入理解仿生机理、优化材料机械性能,才能控制动态仿生过程、促进材料的应用步伐。”

  张利东课题组开展的柔性智能双层膜的仿生性能机理研究,与杜敏学课题组开展的探索仿生智能材料研究不谋而合。

  “不知疲惫”地运动

  双方科研团队以廉价易得的高分子材料为研究对象,张利东课题组提出了双层膜设计理念,通过对材料简单的复合改性,制备了具有自驱动性能的高分子双层膜,并设计了各种柔性器件;杜学敏课题组基于光刻蚀技术,制备了带有微孔道结构的硅模板。

  科研团队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,实现了双层膜的仿生性能,并通过外界刺激实现了对双层膜仿生行为的操控。

  张利东表示,该双层膜对丙酮分子的刺激具有极其敏感的响应性,并且通过对丙酮分子的快速吸收和释放,可实现双层膜的长时间连续定向形变。让惰性高分子“不知疲倦”地运动起来,可媲美自然界中复杂的运动方式。

  实验过程蛮有趣:当PVDF膜表面微孔道排列和薄膜的长轴夹角保持在30°或60°时,薄膜受到丙酮分子刺激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而产生向着PVA层的定向弯曲形变。

  于是就有了本文开篇的奇妙现象:花瓣形状的双层膜产生了像萝卜花一样的形变运动。

  杜学敏告诉记者:“当环境中丙酮浓度过高时,传感器自发形变接通电路,电灯亮;当丙酮浓度逐渐降低时,传感器恢复到原来形状断开电路,电灯灭。利用电灯的变化,可告知环境中丙酮蒸汽浓度的高低。”

  因此,利用此种仿生运动设计的薄膜传感器,还可以长时间连续监测环境中丙酮浓度,从而极大地拓展了材料的应用潜质。同时,该双层膜对于外界丙酮蒸汽的刺激能够保持数小时连续可逆的响应,这为拓展刺激响应材料在能源、柔性传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域应用奠定了坚实的基础。

  小薄膜用途大

  普通聚合薄膜往往想拥有快速响应、“不知疲倦”的运动特性,就需要牺牲材料的机械性能,比如牺牲材料的杨氏模量(描述固体材料抵抗形变能力的物理量)、耐磨性、抗腐蚀等机械性能。这类普通聚合物薄膜现在已经可以广泛应用于医疗、电子及日常生活等方方面面。

  而张利东和杜学敏团队研制的仿生智能薄膜受刺激后,一旦撤除刺激源,薄膜可以迅速恢复其原来的机械性能,因此可达到“不知疲倦”的运动特性。另外,利用这种“不知疲倦”特性的薄膜设计成为柔性传感器,可以长期多次循环使用,大大节省了材料成本。

  杜学敏向记者透露:“未来,我们一方面可将此薄膜设计成仅对丙酮分子刺激敏感的传感器,用于化工企业中实时监测环境中丙酮浓度,以及时预防丙酮对人的伤害。另一方面,我们可以把这种薄膜结合能量采集、人工肌肉、柔体机器人等领域的实际需求,个性化设计适用于不同领域的具体产品。”

  他以能量采集来举例,这种薄膜可以持久运动,如果利用持久运动特性来发电,可极大拓展相关技术在自发电穿戴式、植入式电子器件方面的应用,而穿戴式、植入式行业拥有超千亿元市场规模。

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