Nature Materials：会“跳舞”的薄膜

能源短缺一直是各个国家都十分关注的话题，一个国家经济发展的水平总是和其能源状况息息相关。解决能源短缺有两个途径，一是发展新能源的应用，二是增大已开发能源的使用效率。随着时代的发展，开发新能源的思路也不仅仅局限在开发日常中可见能源，而是将我们日常生活中一些微小能量转化为可利用能量，比如说一些可穿戴设备可以将人运动时产生的震动转化为电能。

日前，RIKEN 应急物质科学中心、东京大学的Takuzo Aida教授（通讯作者）和RIKEN 应急物质科学中心的Daigo Miyajima教授（通讯作者）等人设计了一种可以根据空气湿度或是光照情况变化自启动的致动器，当外界湿度变化或者光照情况改变时，这种具有碳氮共轭结构的薄膜就会随之变化形态，好似一位热爱舞蹈的舞者。这种薄膜的响应速度非常迅速并且其弯折角在弯折10000次后仍不衰减。此种设计有望在一系列领域获得应用。

【图文详解】

1. 材料的合成过程以及表征

图1  碳氮化合物薄膜的结构以及结构表征：（a）碳氮化合物的合成过程以及基本重复单元（b）碳氮化合物的合成示意图,即在玻璃基底上通过沉积的方法得到碳氮化合物，后通过在热水中浸泡的方式得到薄膜。（c，d，e）合成碳氮化合物的照片以及SEM表征

2. 在不同湿度条件下材料的状态

（a）分别为不同湿度条件下薄膜的状态，在27摄氏度条件下，随着环境湿度的减小，薄膜的弯折角度增大  ；（b）在不同温度下，薄膜的状态。左图在镀金石英基底上有无碳氮化合物薄膜时的质量变化，右图分别为相同湿度下20摄氏度以及40摄氏度下薄膜的形态变化，高温下由于氢键被破坏，薄膜易于变形。

3. 在紫外光条件下材料的状态

（a）为紫外光照条件下薄膜的形态，当在紫外光照条件下，由于光引发化合物薄膜中键的变化，薄膜形态改变；（b）弯折10000次后，薄膜的弯折角度大小无衰减；（c）有无紫外光条件下，薄膜形态可以快速恢复。

4. 一定湿度条件下薄膜的致动机制

（a）为紫外光照条件下薄膜的形态，当在紫外光照条件下，由于光引发化合物薄膜中键的变化，薄膜形态改变；（b）薄膜在一定湿度条件下自致动机制。（c，d）薄膜的XPS以及入射广角X衍射表征。说明薄膜沉积在玻璃基底上。

5.在一定湿度条件下部分修饰薄膜的启动机制


（a）薄膜表面修饰金示意图；（b）在一定湿度条件下，薄膜表面修饰区域无自致动现象。

一句话总结：

此类碳氮共轭聚合物结构在不同湿度以及光照情况下可快速变化从而对外界刺激产生响应，此类材料的优点在于其致动的能量很小，在未来，此类自致动器将越来越向低能量启动方向发展。

该成果近期发表在Nature Materials上。论文链接：An autonomous actuator driven by fluctuations in ambient humidity（Nature Materials，2016，DOI:10.1038/nmat4693）

该文献解读由材料人新闻组Som0909投稿，材料牛编辑整理。

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