ACS Nano：利用仿大脑皮层折叠的氧化石墨烯实现超大形变致动器
【引言】
表面褶皱现象在自然界中普遍存在。例如，白细胞表面存在纳米尺度表面褶皱，可有效拓展离子输运功效；人体关节表面存在毫米尺度的皮肤褶皱，可有效保障关节自由活动；大脑皮层表面存在厘米尺度的折叠结构，可有效增强信息存储能力。生物组织器官表面褶皱对其生物功能起着不可忽视的作用，理解生物组织器官表面褶皱的形成机制，对其进行再现与应用具有重要科学意义。
【成果简介】
近日，受大脑皮层折叠过程的启发，国防科技大学楚增勇（通讯作者）团队，以氧化石墨烯为二维组装单元，以乳胶气球为弹性基底，通过三维同步收缩法构筑了仿大脑皮层高度折叠结构。类大脑皮层结构赋予氧化石墨烯优异的抗弯曲和抗拉伸性能，与基底一起具有快速响应、双向可逆弯曲、超大曲率形变特性，变形能力远超同类致动器（18s内实现了曲率2.75mm-1的绝对变化量），可用于构筑响应有机溶剂的“含羞草”、抓取毒性溶剂中光滑物体的机械手、清理海上石油泄露的动态收集器等溶剂响应装置。论文以Article的形式发表在ACS Nano上，题名：Gyrification-Inspired Highly Convoluted Graphene Oxide Patterns for Ultralarge Deforming Actuators，硕士研究生谭银龙为论文第一作者。
【图文导读】
图一：类大脑皮层氧化石墨烯图案的构筑示意图
（a）三维视图；（b）俯视图；（c）剖面图。
在充气气球基底上涂覆氧化石墨烯，缓慢释放气体，氧化石墨烯薄膜在切向压应力作用下折叠，得到类大脑皮层图案。
图二：改变基底预拉伸应变调控氧化石墨烯图案
（a）基底预拉伸应变为22%时，得到类巴基球图案；
（b）基底预拉伸应变增大至100%时，转化为类大脑皮层图案；
（c, d）基底预拉伸应变进一步增大，图案密集化，折叠宽度变小，折叠起伏变大。
图三：改变薄膜厚度调控氧化石墨烯图案
（a-d）薄膜厚度分别为0.5、0.7、1.4、2.5μm（基底预拉伸应变~140%）。
随薄膜厚度增加，折叠图案稀疏化，折叠宽度变大，折叠起伏变大。
图四：氧化石墨烯/乳胶双层致动器的双向可逆弯曲性能
（a）双层致动器变形示意图；
（b）双层致动器在正己烷溶液中的响应及其在空气中的恢复过程；
（c）致动器弯曲方向与两侧应变差之间的关系。
在空气中，双层致动器在残余应力作用下自动卷曲成筒状，将其置于某些有机试剂中，基底在溶胀的作用下发生反卷。过程可逆。
图五：氧化石墨烯/乳胶双层致动器溶剂刺激响应性能比较
（a）同一致动器在不同溶剂中的响应和恢复曲线；
（b）不同致动器在同一溶剂中的响应和恢复曲线；
（c, d）该双层致动器与近期报道的其他形变致动器的性能比较。
图六：氧化石墨烯/乳胶双层致动器的典型应用
（a, b）抓取有机溶剂中光滑的铝棒；（c）蠕虫；（d）包裹；（e）花朵；（f）含羞草。
图七：超疏水超亲油特性与石油泄露收集装置
（a）氧化石墨烯表面的水接触角；
（b）氧化石墨烯表面原油动态接触角；
（c-e）原油收集器收集石油泄露。
【小结】
三维同步收缩法为基于球面基底的微纳图案构筑提供了新思路，工艺简单，形貌可控，具有良好的普适性。用这种方法构筑的氧化石墨烯/石墨烯图案在形状记忆、应变传感、电磁隐身、组织工程等领域显示出明显的优势，具有成为下一代智能结构的潜力。
文献链接：Gyrification-Inspired Highly Convoluted Graphene Oxide Patterns for Ultralarge Deforming Actuators（ACS Nano, 2017, 11 (7): 6843–6852. DOI: 10.1021/acsnano.7b01937）
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