张利东课题组与杜学敏课题组Adv. Mater.: “不知疲倦”可长久持续运动的仿生智能薄膜
【引言】
随着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，极大推动了刺激响应仿生材料的发展。基于刺激响应仿生材料研发的器件在工业，医疗，电子，军事等领域也得到了极大的应用。尤其是仿生软材料，其未来的应用价值将更加巨大，特别是在柔性电子工业，仿生传感器，软体机器人等方面更是前景广阔。
目前在刺激响应材料仿生结构模拟上还存在诸多技术难题。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，材料要具有非常好的拉伸耐磨性,对外界长时间刺激后仍能保持理想的机械性能, 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。因此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。
【成果简介】
近日，华东师范大学化学院张利东课题组（第一通讯作者单位）与中国科学院深圳先进技术研究院杜学敏课题组（第二通讯作者单位）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。利用模板技术将微孔道仿生结构复制到PVDF膜表面,从而在结构上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。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，为拓展刺激响应材料在柔性传感器、软体机器人等领域应用奠定了坚实的基础。而且，基于该双层膜设计的柔性传感器，可长时间连续的监控环境中丙酮浓度，从而及大地拓展了材料的应用潜质。相关成果以题为“Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators”发表在 Advanced Materials 上。参与该项目的还有胡志高，王娟等人。
【图文导读】
图1：双层膜设计思路
通过微孔道模板将微孔道结构复制到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，当受外界刺激时，可实现对双层膜形变的调控。
图2：丙酮分子驱动双层膜的可控形变
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。
图3：PVDF/PVA双层膜的仿生形变
花瓣形状的双层膜吸收丙酮分子产生像萝卜花一样的形变运动。利用此种仿生运动设计的薄膜传感器，可以长时间连续监测环境中丙酮浓度。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。利用电灯的变化来告知环境中丙酮蒸汽浓度的高低。
【小结】
该工作以廉价易得的高分子材料为研究对象，通过对其简单的复合改性，制备了具有自驱动性能的高分子双层膜。该双层膜对丙酮分子的刺激具有及其敏感的响应性，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，媲美自然界中复杂的运动方式，将大大推动聚合物材料在传感器、人工肌肉、柔体机器人等领域的重要应用。
文献链接：Vapomechanically Responsive Motion of Microchannel-Programmed Actuators (Adv. Mater., 2017, 1702231. DOI: 10.1002/adma.201702231)
作者简介：
张利东，博士，华东师范大学研究员，紫江青年学者，博士生导师。主要从事智能高分子材料的制备及其对环境刺激响应性能的研究。近三年在Nat. Commun., Angew. Chem. In. Ed., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Chem. Commun.,等国际知名杂志上发表多篇同行评议论文。详见链接：http://faculty.ecnu.edu.cn/s/3539/main.jspy。
杜学敏，博士，中国科学院深圳先进技术研究院副研究员，广东特支计划青年拔尖人才，深圳市“孔雀计划”海外高层次人才，深圳市高层次专业人才。主要研究方向：结合化学合成与微纳制备，探索仿生智能材料（如光子晶体、智能高分子等）在穿戴与植入式材料与器件方面应用。近三年在Adv. Mater., Adv. Mater. Technol., J. Mater. Chem. C等国际知名期刊上发表多篇高水平论文。详见课题组网页：http://dugroup.siat.ac.cn/。
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材料人编辑部Allen整理。
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