智能软驱动材料(也叫驱动器, 致动器)是指在一定的外场(光[1~12]、电[13~23]、热[24~30]、磁[31]、溶剂[32~36]等梯度势能)刺激下能够将各种能量转换为机械能进而发生可逆形变及运动的材料.最近几年, 软驱动材料在软体机器人、人造肌肉、传感器或微型手设备制备等方面的应用引起了极大的研究兴趣及关注[37~40].复旦大学俞燕蕾研究团队[41]使用新型液晶高分子光致形变材料, 构筑出具有光响应特性的微管执行器.四川大学夏和生和加拿大Sherbrooke大学赵越研究小组[11]合作制备了基于酯交换动态键的可加工偶氮苯液晶弹性体(ALCE), 提出了一种光驱动液晶致动器复杂运动的新策略.受维纳斯捕蝇草借助细胞水平上内外表面的弹性不稳定和不对称膨胀之间的协同作用捕捉昆虫的启发, 芬兰坦佩雷科技大学Zeng研究团队[42]基于光响应液晶弹性体所制备的光学纤维, 制备了一种光驱动的人工捕蝇草.基于电活性聚合物可以实现仿生人造肌肉的准确控制, 中国科学院化学所宋延林课题组[43]采用喷墨打印技术将单层石墨烯组装制备出一种柔性电路和柔软的电致驱动器, 使驱动器在较低的电压下能产生较大的形变.巴黎高等联邦理工学院Shea研究小组[44]在电场活化聚合物的基础上制备出一种柔软、舒适、轻便的机器人夹具.四川大学褚良银教授研究组[45]通过利用温度响应特性的聚异丙基丙烯酰胺凝胶及纳米粘土片制备了温度响应性智能水凝胶.最近, 智能驱动材料在防伪上有了新的进展, 东南大学顾忠泽研究团队[46]所制备的结构色条纹图案可以在扫描器下显示出动态的颜色变化或者隐藏的编码信息.
豆荚[47](图 1A)、小麦芒[48](图 1B)、芝麻[49](图 1C)、松果[50](图 1D)等在干燥过程中会由于湿度变化而引起壳层打开, 使种子释放[47~50].牵牛花的花瓣(图 1E)早上吸水盛开, 晚上失水闭合.自然界的这些湿度驱动现象引起了科学家极大关注.德国Max普朗克胶体与界面研究所的Fratzl研究团队[48]研究了麦芒在湿度变化时发生的扩张或收缩, 湿度减小引起的麦芒扩张会使麦粒种子飞出掉入泥土, 有利于种子的繁衍.日常的湿度变化就可以实现麦芒的扩张引起种子分散到土地中所需要的运动.受自然界生物体的启发具有湿度及溶剂响应性的聚合物驱动材料引起了科学家的广泛关注[51, 52].比如纽约大学阿布扎比分校Naumov课题组[53]模仿豆荚成熟过程中失去水分后能各向异性开裂而释放种子的特点, 利用具有湿度响应性质的琼脂糖和玻璃纤维, 制备出能调控弯曲方向的湿度响应驱动器.通过捕捉空气中湿度扩散过程蕴含的化学势能, 将其转化为可直接利用的能源也是一种非常重要的驱动研究.日本理化研究所相田卓三教授联合东京大学的同行[54]开发出以环境湿度波动为能源的半永久性驱动薄膜传动器.研究小组在疏水的高分子材料薄膜中引入适量的亲水材料, 通过高分子结构的适当排列实现了材料仅吸收极少水分就呈现大尺度伸缩运动.研究小组将样品的一部分薄膜镀金, 利用湿度波动作为驱动源, 成功开发出单向运动传动器.所制得薄膜不仅可快速响应环境湿度变化, 还可在强光照射时快速伸缩、跳跃.含羞草因受到外界刺激呈现小叶折叠现象而得名, 澳大利亚国立大学Tricoli和香港城市大学王钻开团队[55]受含羞草启发, 将一层疏水材料(聚氯乙烯)粘附到一层亲水材料(聚己内酯)上, 利用膜两侧材料亲、疏水性差异以调控膜的弯曲方向和弯曲程度.德国普朗克胶体与界面研究所Yuan课题组[56]利用离子液体(聚3-氰甲基-1-乙烯基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐聚合物(PCMVImTf2N))与聚丙烯酸混合制备出PCMVImTf2N-PAA丙酮响应单层驱动器.此溶剂型智能驱动器具有更高的灵敏性:样品在低于0.25 mol%(每400个水分子中有1个丙酮分子)的丙酮溶液中能快速弯曲(曲率为: 0.076 mm−1).溶剂型智能驱动材料对于外界的痕量湿度计气氛变化具有非常显著的反馈及响应, 与仿生信息密切相关.近年来研究者使用所设计出的各种类型的溶剂响应性柔性聚合物材料, 成功模拟出自然界存在的一些复杂层级结构, 制备出人造肌肉[57]、软机器人[38]、智能织物、传感器和微型发电机等.目前已经有综述详尽报道了光[7], 及其他响应的微型驱动器[37], 但有关溶剂型驱动器的综述很少, 基于溶剂型驱动材料近几年的快速增长的发展势头及广泛应用, 本综述详细总结溶剂型智能驱动材料的基本驱动原理、结构及相关应用并展望了其潜在的研究方向.
溶剂型智能驱动材料是一种可以通过溶剂气氛的痕量变化, 或不同溶剂的种类变化而产生驱动性能的材料.目前, 研究者在溶剂型智能驱动器的制备方面已经开展了大量的研究工作, 并展示了其在机械发电等各类驱动器件制备方面的应用.下面我们主要讨论溶剂型智能驱动材料的基本概念、结构及相关应用研究[58, 59].
溶剂型智能驱动材料是基于柔性材料在溶剂及溶剂气氛作用下产生可逆的体积膨胀/收缩所诱导的驱动行为的一类材料[60].根据溶剂响应类型不同, 溶剂型智能驱动材料可以选择包括对湿度[61~64]、有机溶剂响应[33, 34, 65], 也对溶剂气氛或溶剂体系发生响应的材料.湿度响应的材料一般是能与水产生相互作用的物质, 如琼脂糖[53, 66]、碳纳米管[67]、聚己内酯[55]、叠氮化物[54]、聚离子液体[56, 68~70]、液晶聚合物[71]、石墨烯[61~64]等.这些材料通过与水分子之间形成氢键作用[72~74]、分子间作用[75]、亲疏水作用[55]、静电作用[68]、化学键的形成和断裂[54, 76, 77]、分子构型的变化[30, 78, 79]等使响应材料在宏观上展现出膨胀或收缩等现象.有机溶剂响应性材料是能与有机溶剂产生相互作用的物质.用于驱动的有机溶剂一般包括四氢呋喃、丙酮、吡啶、哌啶、二氧乙烷、甲醇、乙醇、异丙醇等易与聚合物材料发生相互作用的溶剂.对于溶剂型智能驱动材料的研究主要关注其在溶剂外场诱导下样品的卷曲驱动行为, 包括弯曲角度、输出力[80]、位移、响应时间、运动频率[81]、力学性能、耐疲劳性、可控性等.发展驱动材料的新应用也是该领域重要的研究内容:利用驱动弯曲的行为将溶剂驱动产生的机械能转换为电能, 以制备电动器件; 或者通过巧妙的设计将溶剂诱导的驱动行为用于重物抓取、制备花瓣形状的图案等.
根据驱动原理不同, 湿度/溶剂响应型驱动器大致分为两种类型:一种是由两种对溶剂具有不同响应性的材料组成双层结构驱动膜.另一种是由不同材料共聚或改性形成单层结构驱动膜.最近两年, 研究者新发展了通过溶剂浸润梯度诱导单一材料形成梯度溶胀或收缩实现驱动.下面我们详细解释了不同类型的溶剂驱动材料.
(1) 普通的双层智能驱动膜
双层结构驱动器是溶剂型驱动器中最为常见的一种结构, 在众多应用领域中扮演着越来越重要的角色.双层膜驱动器主要由两种具有不同溶剂响应性能的材料叠合而成的双层驱动膜, 其中一种对溶剂具有良好的响应行为, 称为活性层; 而另一层对溶剂具有较弱的响应行为, 称为承托层.承托层最早是起骨架作用, 后期发展为只要满足和活性层具有不同的溶剂响应行为即可.双层驱动膜的工作机理是:当溶剂刺激双层膜驱动器后, 活性层会随溶剂作用发生比承托层大的多的体积膨胀或收缩, 由于活性层和承托层的溶剂膨胀系数不同而产生的驱动行为, 在宏观上表现为驱动膜的面外或面内弯曲的运动.双层膜结构在驱动过程中, 经常面临各种不同的溶剂气氛, 其对溶剂的选择性行为也会影响其驱动性能.
这里介绍了几个典型的双层膜驱动的例子:加拿大阿尔伯塔大学Serpe课题组[82]设计的以聚异丙基丙烯酰胺-丙烯酸微凝胶为活性层, 覆盖金的基底为承托层组成的双层溶剂型智能驱动器, 其能产生达到人体肌肉二百六十多倍的驱动力.韩国庆北大学Kwak课题组[83]以共轭聚合物聚1-苯基-2-(p-三甲基硅烷)苯乙炔(PTMSDPA)为活性响应层、双轴向聚丙烯(BOPP)为承托层制备了水响应驱动器.该驱动器除了具有一般柔性材料驱动器的基本性能:对化学刺激响应能产生可逆的体积膨胀/收缩; 其共轭聚合物结构变化还引起光学性质的变化(图 2A).这是由于共轭聚合物层吸水体积膨胀的同时诱导电子结构或荧光信号变化, 该过程可多次循环而不疲劳降解. 2017年哈尔滨工业大学贺强研究团队[84]报道了用聚苯并噁唑纳米纤维加固的湿度响应型驱动器.该驱动器由湿敏性聚(对亚苯基苯并双噁唑)纳米纤维(PBONF)增强碳纳米管/聚(乙烯醇)(CNT/PVA)双层膜组成(图 2B).嵌入式PBONF不仅可以帮助CNT形成连续的导电膜, 还可以增强致动器的机械性能. PBONF增强CNT/PVA双层致动器因为不对称地吸附或解吸水而产生可逆的变形. 2013年美国宾夕法尼亚大学Lee研究团队[85]通过在疏水聚四氟乙烯(PTFE)上沉积亲水的聚电解质制备了由具有不同吸湿能力的材料组成的仿生湿度形变双层驱动器.其中, 聚电解质是由烯丙胺盐酸盐(PAH)和聚丙烯酸(PAA)通过层层组装形成的吸水膜(图 2C).当将膜从玻璃片上剥离下来, 其会产生轻度弯曲, 当将膜分别置于高、低湿度空气中可发生上百次重复弯曲行为.
(2) Janus双层结构智能驱动材料
聚合物致动器在人造肌肉、软机器人和传感器中的潜在应用备受关注.具有双层结构的智能水凝胶在外场(如温度、光和环境湿度等)刺激作用下因两层材料的不同体积变化及不同内应力而使其形状变化.要想达到大幅度的形状转变就要求两层材料间具有较大的物理化学性质差异, 这可能会造成材料界面结合强度弱容易剥离等问题.为克服上述限制, 实现性质差异大的材料间的高强度结合, 中国科学院理化技术研究所王树涛课题组[86]提出新的界面聚合方法, 制备了水凝胶和油凝胶共价连接的Janus驱动膜(图 3A).与传统的界面缩合聚合不同, 文中报道的界面聚合是利用油相、水相单体在界面处的扩散层内发生聚合反应.当聚合反应开始时, 油相、水相单体在界面处发生共聚反应形成过渡层.过渡层通过共价作用连接油、水凝胶, 制备出油水凝胶Janus膜.利用膜两侧油水凝胶的性质差异实现了膜的弯曲方向、弯曲程度的可控调节, 在溶剂作用下发生驱动行为.该方法为新型功能驱动膜的设计和制备提供了新思路.受含羞草因特殊的外力触动引起叶片折叠现象的启发, 澳大利亚国立大学的Tricoli和香港城市大学王钻开研究团队[55]将一层疏水材料(聚氯乙烯)粘附到另一层亲水材料(聚己内酯)上(图 3B)制备了Janus双层膜.所制备Janus双层膜的流动速度相较传统的毛细管运输设备高出两个数量级(流速8 cm/s, 流量4.7 mL/s), 利用膜两侧亲疏水差异可实现膜的弯曲方向和弯曲程度的可控调节.这种层层自组装机制使得制造长度大于10 cm的微型柔性水槽变得简单, 在微流体、生物传感器、水净化方面有巨大的应用.
(1) 梯度分布离子浓度/孔结构
为解决不同材料形成的双层膜在驱动过程中存在的分离问题, 科学家提出了单层驱动膜的概念.单层驱动膜是由不同材料或同一种材料组成的单层结构驱动膜.单层材料是一般以刚性材料做骨架, 以柔性材料为填充物所组成的单层复合膜.该材料一般在截面上具有梯度变化的响应性离子浓度或梯度分布的孔结构; 正是由于材料本身的离子或孔结构的梯度分布, 使之与溶剂具有不同的结合力而产生定向驱动行为[87]. 2014年德国普朗克胶体与界面研究所Yuan课题组[68]用离子液体(PILTf2N即3-氰甲基-1-乙烯基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐聚合物)制备了具有纵向静电络合梯度的单层驱动膜(图 4A).其中阳离子聚合物(离子液体)和大体积有机负离子是材料的主要组成, 能与各种有机溶剂蒸汽相互作用.其静电络合与多孔结构具有独特的协同作用, 提供离子交联网和结构稳定性.该课题组[56]用离子液体(聚3-氰甲基-1-乙烯基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐聚合物(PCMVImTf2N))与聚丙烯酸混合制备出对丙酮有响应的PCMVImTf2N-PAA单层膜驱动器(图 4B).由于膜在纵向上存在与溶剂结合的静电络合梯度, 引起膜的不均匀溶胀及膜的弯曲驱动性质, 该溶剂型智能驱动器具有较文献[34]更高的灵敏性.日本理化研究所相田卓三联合东京大学的同事[54]开发出以环境湿度波动为驱动源的半永久性驱动薄膜传动器.这种膜由碳酸胍通过蒸汽沉积聚合得到含有庚嗪环为重复单元的π-叠氮化碳聚合物(CNP)(图 4C).该薄膜能对微量水(每10 mm2几百纳克)的吸附和解吸产生响应, 是迄今为止所报道的能检测最微小湿度波动的薄膜驱动器.所制备的CNP膜在基材侧及生长侧具有微小的结构差别.相较基材侧的样品, 生长面的样品具有更多的未反应氨基团及缺陷的存在.这是由于实验中两个相近的庚嗪环基团很容易通过氢键作用与水分子形成共晶结构.因此, 在潮湿的空气中, 生长面较基材面更容易与水分子作用, 导致生长面的膜因收缩应力而弯曲. CNP膜是疏水的, 水分子只有通过生长面上的未反应氨基或缺陷部位与CNP膜作用, 不能渗透到膜的更深层.这一现象贡献于其快速的响应.该驱动器驱动速度快(每圈50 ms)并且重复1000次后性能也没有变化.该膜还可以通过光照或温度调控完成痕量湿度变化引起膜的驱动响应. 2014年德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所Ionov研究团队[34]将二氧化硅与聚酰亚胺薄膜混合制备得到具有梯度孔结构的溶剂型智能驱动材料.梯度结构的形成主要是由于二氧化硅胶体粒子因重力和毛细力协同作用在聚酰亚胺中形成不均匀分布所致.除去二氧化硅胶体粒子模板后, 便形成了顶层为聚酰亚胺膜单层孔, 中间为聚酰亚胺薄固体膜, 底层为聚酰亚胺多层孔膜的不均匀多孔聚酰亚胺薄膜.由于样品在丙酮溶液中多层孔的膨胀度高于固体的聚酰亚胺膜因而实现膜的自折叠行为.所制备的样品能在丙酮溶液中形成管状弯曲, 放置在空气中又能恢复原状.利用该现象可捞出有机溶剂中微小的固体, 放置于空气中又能将其释放出来.
(2) 溶剂浸润/去浸润过程诱导梯度分布及驱动行为
单一材料驱动膜不仅可以通过设计离子梯度或孔结构梯度实现, 还可通过对外场刺激产生梯度浸润/去浸润实现.中国科学院宁波材料技术与工程研究所陈涛课题组[32]通过采用真空抽滤自组装法将原位聚合制备得到的大尺寸还原氧化石墨烯/聚多巴胺(RGO-PDA)纳米复合薄片的分散液组装成宏观尺度的层状结构纳米复合薄膜(图 5A).在梯度分布的水源作用下(离水源近处具有较多的水蒸气分子, 而离水源较远处有较少的水蒸气分子), 该薄膜具有极高的响应灵敏度、快速的运动能力(1000 °/s)、超强的驱动力(可以承载自身42倍重量)以及连续自发运动等优良性能.该材料在外部刺激作用下由均一薄膜原位形成双层结构进而实现驱动, 突破了只有双层结构才能进行驱动的局限, 这为制备新型快速高灵敏驱动材料提供了一种新思路.中国科学院理化技术研究所王京霞课题组[88, 89]制备了聚有机硅碳点[88]、或聚离子液体[89]单一材料的反蛋白石结构光子晶体, 利用膜在溶剂蒸发过程中的梯度去浸润行为实现了驱动材料的制备.如图 5B所示, 当将充分浸润的样品铺展在基材上后, 溶剂的方向性蒸发会使样品产生梯度去浸润行为:靠近空气一侧的膜蒸发速率快, 靠近基底一侧的膜蒸发速率慢.这种梯度去浸润过程导致多孔反蛋白石结构的不均匀收缩:靠近空气一侧的膜收缩较多, 靠近基底一侧的膜收缩较少, 这种不均匀的溶胀收缩行为引起了聚离子液体薄膜的弯曲现象.随着溶剂的进一步蒸发, 膜整体收缩并逐渐恢复到最初的平坦状态.聚离子液体膜中溶剂的梯度去浸润性是膜驱动行为的主要驱动源, 以确保聚合物链段在溶剂中的不均匀收缩以及相应的弯曲过程.在此工作中, 可以借助驱动材料中的光子晶体结构实现光学信号监控驱动过程, 也可以通过光学信号识别机械工作过程, 这将为新型和先进的溶剂致动器或光学装置的设计和制造提供重要的见解.
溶剂型智能驱动器实现了将化学能转化为机械能, 也被叫作化学机械运动.溶剂型智能驱动材料是通过在聚合物材料中引入湿度或溶剂响应的分子以形成双层或单层结构制备得到.该材料在湿度或溶剂外场作用下因体积形变而发生扭曲.目前已经有大量研究工作将溶剂型智能驱动器因外场诱导产生的机械形变转换为电能, 并开发相关的智能应用型器件.如法国国家科学院Grosso课题组[90]制备的无机多孔薄膜, 能将吸收的水转化为可用的机械力.在本章节中, 我们介绍了关于溶剂驱动材料在能量转换、液体开关、仿生智能、运输液体及智能感应等方面的应用.
科学界普遍认为, 随着化石燃料储量的逐渐减少和环境污染的日益加剧, 新型环境友好型能量转化技术在新一代能源开发系统中展现出巨大的潜力.蒸发是自然界普遍存在的现象, 在地球气候下支配形成能量转换.通过捕捉空气中湿度扩散过程蕴含的化学势能, 将其转化为可直接利用的电能, 这开启了一种全新的潜在能量源, 在新能源领域具有可观的应用前景[91].北京理工大学曲良体团队[92]设计并制造出以人体呼吸时湿度变化为驱动源用以检测不同运动状态下的人体呼吸特点, 首次实现自供电即时人体健康监测.他的团队开发出了由氧化石墨烯制备的三维结构:具有可允许水分子自由通过的大孔洞.当水从这种材料的顶部流淌到底部的时候, 水分子将和氧化石墨烯中的含氧基团发生反应, 使之分离形成氢离子; 在材料中留下均一分布的氧基团, 这将形成产生电能所需的足够多的离子.该材料用两片多孔铝电极以三明治方式夹在中间, 通过将空气中湿度扩散过程蕴含的化学势能转化为可直接利用的电能, 能量转化效率高达62%, 水分子通过时产生的电能可以直接点亮LED灯泡.
麻省理工学院综合肿瘤研究所Langer研究团队[73]利用PEE-PPy(季戊四醇乙氧基化物-聚吡咯)聚合物复合体系制备得到由柔性水解敏感的聚合物链相互贯穿在刚性的聚合物框架中, 通过所形成的水解梯度诱导驱动位移, 将化学势能转换为机械功.他们进一步将PEE-PPy驱动器膜与压电材料PVDF(聚偏氟乙烯)组装在一起形成发电机(图 6A).该发电机通过水梯度驱动输出交流电为0.3 Hz, 电压峰值约为1.0 V.且电能可被储存在电容器中为微型和纳米型电子器件提供能量.纽约大学阿布扎比(Abu Dhabi)分校Naumov课题组[66]将pH响应因子1, 4-对羟乙基苯(BHSB)引入湿度响应琼脂糖基质中, 在酸碱作用时可通过BHSB的质子化与去质子化实现样品颜色从蓝色到黄色的变化.当紫外光作用在BHSB上, 会使其顺反构型发生变化, 使膜发生扭曲、弯曲等形变.所制备驱动膜能同时对湿度、pH、光做出响应, 还可利用其可逆的弯曲形变, 将驱动器的运动转换到压电传感器上, 将机械能转化为电能(图 6B).该课题组在具有湿度响应的琼脂糖上排列不同取向的玻璃纤维, 制备出能调控弯曲方向的湿度响应驱动器[53](图 6C).它能够驱动压电元件将机械能转换为电能, 所输出的电压峰值达到0.8 V.美国哥伦比亚大学Goodnight课题组[93]报道了一种蒸汽驱动器可以支持诸如运动和发电等常见任务.这些发动机放置在空气-水界面时可自动启动和运行, 当结合特殊的设计能产生旋转和线性类活塞运动.该工作基于人造肌肉对水分波动的反应, 将其与电磁发电机链接, 产生的电能能让LEDs灯亮起来(图 6D).另外, 他们还展示了一台发电机, 可通过蒸发驱动发动机.蒸发驱动的发动机可能会在自然环境中运行的机器人系统、传感器和机械设备上得到应用.
(1) 化学能转换成动能, 实现单向行走
为实现社会可持续性发展, 科学家们大力开发光、风力、地热等替代化石能源的自然能源转换和储存技术.但对移动设备和可穿戴设备来说, 开发出不需插座充电且轻量小巧的动力源极为重要.日本理化研究所相田卓三联合东京大学的同事[54]开发出以环境湿度波动为能源的半永久性驱动薄膜传动器.研究小组将一部分薄膜镀金, 利用环境湿度波动为驱动源, 成功开发出单向运动传动器(图 7A).该薄膜能对环境湿度变化做出快速响应, 在很小的湿度变化情况下做出大且高速的伸缩运动, 并能感知一般湿度计无法探测的微小湿度变化, 从而将局部湿度变化高效转化为动能.这种薄膜甚至能将光和热等环境波动转化为能量, 并在强光照射时高速伸缩、跳跃.中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究团队[94]报道了仿毛毛虫双层驱动器.他们在皱曲的聚二甲基硅氧烷弹性体上修饰水响应聚合物电解刷.这种驱动器能在周围空气湿度改变时快速折叠成三维结构, 它的折叠方向与驱动器的几何形状、皱纹方向和弹性体表面上聚合物的高度有关.所产生的驱动器具有高效、快速及可逆等特点, 可以用来制备由环境湿度驱动的自行走驱动器(图 7B).吉林大学张永来课题组[64]创造出一个完全由水分控制的简单微型“机器人”.研究人员通过照相机闪光处理, 将普通的氧化石墨烯片还原, 该材料暴露在潮湿的环境中而产生弯曲行为.该团队制作了一只四脚爬行物, 它的爪子会因空气湿度变化从而合拢(图 7C).因为移动、捕获与释放是自动化系统最基本的功能, 这些机器人可以通过环境湿度改变得以灵活操控.哥伦比亚大学Goodnight课题组[93]报道了一种蒸汽驱动的致动器, 可使一辆小型汽车(重0.1 kg)随着汽车中的水分蒸发而向前移动(图 7D).
(2) 化学能转换成动能, 引起信号转换
实验室中各式各样的溶剂都能以不同的方式侵入人体, 当浓度较低时很难被人体察觉, 将这些化学信号转变为肉眼可见的视觉信号, 就能让人们更直观的发现危险[95], 这些信号的转换, 可以基于智能驱动作用来实现.复旦大学俞燕蕾课题组[77]报道了光和湿度双响应的交联液晶疏水聚合物执行器.当薄膜受到湿度或者紫外光的刺激时, 各向异性的液晶分子排列发生变化, 引起薄膜的宏观形变.薄膜对周围环境的湿度变化非常敏感, 仅仅利用手指上的湿气就可以使膜产生形变, 从而达到报警的效果(图 8A).中国科学院理化技术研究所王树涛课题组[86]制备出水油凝胶Janus膜(如图 8B所示), 当油泄露时, 水凝胶面不膨胀只收缩、而油凝胶面只膨胀, 引起油凝胶面弯曲致电路导通红灯亮.在碱性水溶液中, 水凝胶膨胀而油凝胶收缩, 致使下面电路被导通蓝灯亮.利用膜两侧水油凝胶的性质差异实现了膜的弯曲方向和弯曲程度的可控调节.在不同溶液中会使不同的指示灯亮从而达到有效避免溶剂逸出的指示功能.
复旦大学彭慧胜课题组[96]报道了一种具有溶剂响应的各向异性共轭聚合物机械驱动器.他们设计了共轭聚合物(聚1-苯基-2-(p-三甲基硅烷基)苯乙炔)(PTP)/多壁碳纳米管(MWCNT)复合材料, 通过控制MWCNT在共轭聚合物中的排列方向可以精确控制膜的驱动方向.该材料可致动产生高达15 Pa的应力(约为最强人类肌肉的42倍), 并且能重复可逆致动300次而没有疲劳应变.如图 8C所示, 该复合膜能被用作微型液体阀门.当水从左侧流入, 复合膜弯曲封锁通道; 当乙醇从左侧流入, 复合膜则变平而使溶液通过.这是利用样品在水及有机溶剂中的不同的弯曲程度实现微型液体开关.该微型阀也可用于多通道管线以控制有机溶剂的流动方向.
(3) 化学能转换成动能, 形成智能开关
因为智能材料的构想来源于仿生, 所研制的材料具有类似生物功能的“活”材料:具备感知、驱动和控制三个基本要素.智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成智能材料系统, 智能材料的设计、制造、加工和性能结构特征均涉及了材料学的最前沿领域, 代表了材料科学的最活跃、最先进的发展方向.
复旦大学彭慧胜课题组[67]集中研究了碳纳米管纤维在水和湿气作用时的机械驱动行为.他们通过对碳纳米管的多级螺旋组装, 在纤维内部形成了大量的纳米和微米尺度的管道结构, 这种多级管道结构可以使溶剂高效快速地渗透到纤维内部, 因此呈现快速、大范围可逆的纤维收缩和转动.通过对纤维进行表面改性, 实现了对水的收缩和旋转响应, 并制成了可感应湿度变化的智能窗帘(图 9A).哈尔滨工业大学贺强研究团队[84]报道了用聚苯并噁唑纳米纤维加固的湿度响应型驱动器.该驱动器是由湿敏性聚(对亚苯基苯并双噁唑)纳米纤维(PBONF)增强碳纳米管/聚(乙烯醇)(CNT/PVA)双层膜组成.嵌入式PBONF不仅可以帮助CNT形成连续的导电膜, 而且在改变环境湿度时, 可以增强致动器的机械性能.更重要的是, 该致动器由于湿度变化引起的变形会使其导电性显著增加, 形成了湿敏致动器和湿度传感器的集成.另外致动器可通过视觉可见的(响应湿度变化)形变以制备智能窗帘(图 9B).
(4) 智能仿生
自然界中存在一些类似于人工驱动器的湿度响应行为.例如, 松果鳞片在湿度变化后会发生移动.通过模拟生物结构衍生规律可制备出新型智能双层高分子膜材料.比如可用两种不同性质的材料分别制作活性层和被动层, 从而在结构上实现双层膜的仿生制备, 并通过外界刺激实现对双层膜仿生行为的操控.华东师范大学张利东课题组[97]以聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯醇(PVA)高分子材料为研究对象, 实现PVDF/PVA双层膜的仿生形变.花瓣状的双层薄膜吸收丙酮分子后, 翩翩起舞, 犹如一朵在风中摇弋的萝卜花(图 10A).中国科学院兰州化学物理研究所周峰研究团队[94]报道了仿毛毛虫双层驱动器, 这种驱动器能在周围空气湿度改变时快速折叠成三维结构.它的折叠方向由驱动器的几何形状决定, 所引起弯曲具有运动快、各向异性、高效且可逆的特点.基于这些良好性能, 他们构建了手形图案, 并将其浸入水中, 以模仿手指关节的弯曲运动(图 10B).澳洲国立大学的Tricoli和香港城市大学王钻开研究团队[55]将一层疏水材料(聚氯乙烯)粘附到另一层亲水材料(聚己酸内酯)上.膜层能够沿着预定的通道快速传播刺激并折叠, 从而形成三维几何图形.这样的双层材料会被切成细细的长条, 实现液体的运输(图 10C).
(5) 其他最新进展:驱动器膜的方向性调控
智能材料是人们根据所要达到的目的, 预先设计好的能对外界环境刺激做出感应、使材料发生形状或其他特征变化的材料[98, 99].成熟的豌豆荚干燥后能产生各向异性的形变(弯曲、扭曲或伸展)并释放出种子.通过观察发现, 豌豆荚结构是由植物表皮、软细胞/组织和定向排列纤维素原纤构成, 吸水软细胞/组织膨胀会引起三维结构的弯曲.受此启发科学家研究了人工复合驱动器模拟植物湿度诱导运动.若材料为光或热响应材料, 可以实现光控复杂三维结构变化, 在光操控的机器人手臂和太阳能收集系统方面都有潜在的应用[6].韩国乌尔山国家科学技术研究所Jeong课题组[100]详细介绍了这种双层聚合物膜膨胀形成三维结构的局部导向性纵弯现象.
石墨烯独特的二维平面原子结构赋予其优良的热学、电学及力学性能, 为新型智能材料的设计提供了广阔的发展空间.北京理工大学曲良体课题组[61]在石墨烯纤维研究的基础上, 借助激光还原微加工法, 首次成功制备出具有良好湿度响应的智能石墨烯纤维.他们通过对纤维不同部位进行激光还原得到可控还原石墨烯.由于氧化、还原石墨烯对水的不同膨胀度, 该纤维在外界湿度变化的情况下表现出可控的复杂运动如可逆弯曲、弯折及扭曲等智能响应(图 11A).在上述研究基础上, 该课题组进一步对石墨烯纤维进行了巧妙的旋转预加工, 使其表面具有了一定的紧密螺旋结构, 制备出一种在外界湿度变化情况下可以沿自身轴向高速旋转的纤维(最高转速可达5190转/分钟).他们将这种新型功能纤维用于湿度响应开关, 成功开发了一个小型湿气发电机, 该发电机可以通过周围环境湿度的变化产生电能.液晶是一种具有各向异性结构的光电材料, 分子取向性能使其获得一些独特的性质.在外场刺激作用下其各向异性减弱, 平行于取向方向上的分子将收缩, 而其它方向上的分子将发生膨胀.样品的平行取向会引起材料在垂直方向的收缩或膨胀[101]. 2014年荷兰爱因霍芬科技大学Schenning研究团队[102]展示了一种湿度响应型液晶聚合物驱动器.他们用氢氧化钾局部处理材料, 使液晶聚合物在水中具有不同的膨胀度, 进一步分别处理材料的不同面及不同位置, 使聚合物膜展示了不同的弯曲方向.这种单层聚合物膜之所以能对湿度响应产生形变的主要原因是:含有氢键的羧酸液晶聚合物浸泡到碱性溶液中能转化为具有吸湿作用的聚合物盐.在这个方法中, 不对称的分子结构诱导聚合物产生的各向异性使其对湿度产生不对称的响应.通过控制液晶分子取向可调控驱动器产生弯曲、折叠或卷曲等行为(图 11B).纽约大学阿布扎比分校Naumov课题组[53]制备出能调控弯曲方向的湿度响应驱动器.在他们的研究中, 通过在具有湿度响应琼脂糖表面排列不同取向的玻璃纤维.当玻璃纤维与驱动膜长轴夹角不同时, 驱动膜实现不同形式的方向性弯曲.当玻璃纤维与驱动膜长轴夹角为90°时, 膜能弯曲成环; 玻璃纤维与驱动膜长轴夹角为45°时, 膜呈现螺旋状扭曲等(图 11C).
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料, 是现代高新技术材料发展的重要方向之一.智能材料将支撑未来高技术的发展, 使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界限逐渐消失, 实现结构功能化、功能多样化.科学家预言, 智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命.智能驱动材料是当前新材料研究的一个重要方向.到目前为止, 溶剂型智能驱动材料的研究已经有了很大的进展.所涉及的溶剂包括水、丙酮、乙醇、四氢呋喃等, 所设计的驱动材料包括双层结构, 具有梯度的单层结构及受浸润梯度影响的单层结构.与驱动材料相关的应用也由简单的样品卷曲发展为将驱动材料的化学能转换为机械能、动能、电能等, 用于研制各种新型的器件.溶剂型驱动材料的研究及应用远远不止这些.由于溶剂型驱动材料多为软材料, 容易变形且环境适应性好, 可以发展这些材料在可穿戴器件, 医疗卫生保健等方面的应用.比如将溶剂型驱动材料用于人体微型治疗功能的微型机器人(药物释放, 传感等应用)、人造肌肉、细胞及人体组织支架等方面.另外, 对于目前所报道的溶剂型驱动器的规模应用还存在很多问题, 比如驱动器性能稳定, 包括其应力应变性能, 驱动信号的振幅和频率, 生成力的大小, 能量密度, 驱动的持久性, 信号的敏感性等[103].对于新型溶剂型智能驱动材料的研究需要发展具有更快响应、更高效、及多重响应的能量转换材料.同时发展具有程序化及规范化驱动流程的更精细, 更复杂功能[99]的驱动材料.最后, 有关驱动材料标准表征方法的建立也是当前领域急需完善的方面.
Barrett, C. J.; Mamiya, J.-i.; Yager, K. G.; Ikeda, T. Soft Matter 2007, 3, 1249. doi: 10.1039/b705619b
Yamada, M.; Kondo, M.; Miyasato, R.; Naka, Y.; Mamiya, J.-i.; Kinoshita, M.; Shishido, A.; Yu, Y.; Barrett, C. J.; Ikeda, T. J. Mater. Chem. 2009, 19, 60. doi: 10.1039/B815289F
Wu, C.; Feng, J.; Peng, L.; Ni, Y.; Liang, H.; He, L.; Xie, Y. J. Mater. Chem. 2011, 21, 18584. doi: 10.1039/c1jm13311j
Wang, E.; Desai, M. S.; Lee, S. W. Nano Lett. 2013, 13, 2826. doi: 10.1021/nl401088b
Iamsaard, S.; Asshoff, S. J.; Matt, B.; Kudernac, T.; Cornelissen, J. J.; Fletcher, S. P.; Katsonis, N. Nat. Chem. 2014, 6, 229. doi: 10.1038/nchem.1859
Deng, J.; Li, J. F.; Chen, P. N.; Fang, X.; Sun, X. M.; Jiang, Y. S.; Weng, W.; Wang, B. J.; Peng, H. S. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 225. doi: 10.1021/jacs.5b10131
Han, D. D.; Zhang, Y. L.; Ma, J. N.; Liu, Y. Q.; Han, B.; Sun, H. B. Adv. Mater. 2016, 28, 8328. doi: 10.1002/adma.v28.38
Kumar, K.; Knie, C.; Bleger, D.; Peletier, M. A.; Friedrich, H.; Hecht, S.; Broer, D. J.; Debije, M. G.; Schenning, A. P. H. J. Nat. Commun. 2016, 7, 11975. doi: 10.1038/ncomms11975
Ma, C. X.; Le, X. X.; Tang, X. L.; He, J.; Xiao, P.; Zheng, J.; Xiao, H.; Lu, W.; Zhang, J. W.; Huang, Y. J.; Chen, T. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 8670. doi: 10.1002/adfm.v26.47
Rogóż, M.; Zeng, H.; Xuan, C.; Wiersma, D. S.; Wasylczyk, P. Adv. Opt. Mater. 2016, 4, 1689. doi: 10.1002/adom.201600503
Lu, X. L.; Guo, S. W.; Tong, X.; Xia, H. S.; Zhao, Y. Adv. Mater. 2017, 29, 1606467. doi: 10.1002/adma.v29.28
Ma, H.; Hou, J.; Wang, X.; Zhang, J.; Yuan, Z.; Xiao, L.; Wei, Y.; Fan, S.; Jiang, K.; Liu, K. Nano Lett. 2017, 17, 421. doi: 10.1021/acs.nanolett.6b04393
Osada, Y.; Okuzaki, H.; Hori, H. Nature 1992, 35, 242. https://es.scribd.com/document/51366025/ZINC-FINGER-PROTEINS-FROM-ATOMIC-CONTACT-TO-CELLULAR-FUNCTION
Ma, Y.; Zhang, Y.; Wu, B.; Sun, W.; Li, Z.; Sun, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 6254. doi: 10.1002/anie.201101054
Obata, K.; Tamesue, S.; Hashimoto, K.; Mitsumata, T.; Tsubokawa, N.; Yamauchi, T. Macromol. Mater. Eng. 2015, 300, 766. doi: 10.1002/mame.v300.8
Taccola, S.; Greco, F.; Sinibaldi, E.; Mondini, A.; Mazzolai, B.; Mattoli, V. Adv. Mater. 2015, 27, 1668. doi: 10.1002/adma.201404772
Chen, L. Z.; Weng, M. C.; Zhang, W.; Zhou, Z. W.; Zhou, Y.; Xia, D.; Li, J. X.; Huang, Z. G.; Liu, C. H.; Fan, S. S. Nanoscale. 2016, 8, 6877. doi: 10.1039/C5NR07237A
Hamedi, M. M.; Campbell, V. E.; Rothemund, P.; Güder, F.; Christodouleas, D. C.; Bloch, J.-F.; Whitesides, G. M. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 2446. doi: 10.1002/adfm.v26.15
Kotal, M.; Kim, J.; Kim, K. J.; Oh, I. K. Adv. Mater. 2016, 28, 1610. doi: 10.1002/adma.201505243
Simaite, A.; Mesnilgrente, F.; Tondu, B.; Soueres, P.; Bergaud, C. Sensor. Actuat. B-Chem. 2016, 229, 425. doi: 10.1016/j.snb.2016.01.142
Terasawa, N.; Asaka, K. Langmuir 2016, 32, 7210. doi: 10.1021/acs.langmuir.6b01148
Uh, K.; Yoon, B.; Lee, C. W.; Kim, J. M. ACS Appl. Mater. Interf. 2016, 8, 1289. doi: 10.1021/acsami.5b09981
Wang, F.; Jeon, J. H.; Kim, S. J.; Park, J. O.; Park, S. J. Mater. Chem. B 2016, 4, 5015. doi: 10.1039/C6TB01084A
Magdanz, V.; Stoychev, G.; Ionov, L.; Sanchez, S.; Schmidt, O. G. Angew. Chem., Int. Ed. 2014, 53, 2673. doi: 10.1002/anie.201308610
Yao, C.; Liu, Z.; Yang, C.; Wang, W.; Ju, X. J.; Xie, R.; Chu, L. Y. Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 2980. doi: 10.1002/adfm.201500420
Asanuma, H.; Asaka, K.; Su, J.; Poubel, L.; Shahinpoor, M. Smart Mater. Struct. 2016, 25, 025015. doi: 10.1088/0964-1726/25/2/025015
Liu, L.; Jiang, S. H.; Sun, Y.; Agarwal, S. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1021. doi: 10.1002/adfm.v26.7
Shi, Y.; Zhu, C.; Li, J. T.; Wei, J.; Guo, J. B. New J. Chem. 2016, 40, 7311. doi: 10.1039/C6NJ00492J
Xing, H. H.; Li, J.; Shi, Y.; Guo, J. B.; Wei, J. ACS Appl. Mater. Interf. 2016, 8, 9440. doi: 10.1021/acsami.6b01033
Shahsavan, H.; Salili, S. M.; Jakli, A.; Zhao, B. X. Adv. Mater. 2017, 29, 1604021. doi: 10.1002/adma.v29.3
Sotiriou, G. A.; Blattmann, C. O.; Pratsinis, S. E. Adv. Funct. Mater. 2013, 23, 34. doi: 10.1002/adfm.201201371
He, J.; Xiao, P.; Zhang, J. W.; Liu, Z. Z.; Wang, W. Q.; Qu, L. T.; Ouyang, Q.; Wang, X. F.; Chen, Y. S.; Chen, T. Adv. Mater. Interf. 2016, 3, 1600169. doi: 10.1002/admi.201600169
Song, H. J.; Lin, H. J.; Antonietti, M.; Yuan, J. Y. Adv. Mater. Interf. 2016, 3, 1500743. doi: 10.1002/admi.201500743
Zhang, Y.; Ionov, L. ACS Appl. Mater. Interf. 2014, 6, 10072. doi: 10.1021/am502492u
Wang, D. H.; McKenzie, R. N.; Buskohl, P. R.; Vaia, R. A.; Tan, L. S. Macromolecules 2016, 49, 3286. doi: 10.1021/acs.macromol.6b00250
Lv, C.; Xia, H.; Shi, Q.; Wang, G.; Wang, Y. S.; Chen, Q. D.; Zhang, Y. L.; Liu, L. Q.; Sun, H. B. Adv. Mater. Interf. 2017, 4, 1601002. doi: 10.1002/admi.201601002
Hines, L.; Petersen, K.; Lum, G. Z.; Sitti, M. Adv. Mater. 2017, 29, 1603483. doi: 10.1002/adma.201603483
Rus, D.; Tolley, M. T. Nature 2015, 521, 467. doi: 10.1038/nature14543
Wehner, M.; Truby, R. L.; Fitzgerald, D. J.; Mosadegh, B.; Whitesides, G. M.; Lewis, J. A.; Wood, R. J. Nature 2016, 536, 451. doi: 10.1038/nature19100
Ban, J. F.; Mu, L. N.; Yang, J. H.; Chen, S. J.; Zhuo, H. T. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 14514. doi: 10.1039/C7TA04463A
Lv, J. A.; Liu, Y.; Wei, J.; Chen, E.; Qin, L.; Yu, Y. Nature 2016, 537, 179. doi: 10.1038/nature19344
Wani, O. M.; Zeng, H.; Priimagi, A. Nat.Commun. 2017, 8, 15546. doi: 10.1038/ncomms15546
Li, W. B.; Li, F. Y.; Li, H. Z.; Su, M.; Gao, M.; Li, Y. A.; Su, D.; Zhang, X. Y.; Song, Y. L. ACS Appl. Mater. Interf. 2016, 8, 12369. doi: 10.1021/acsami.6b04235
Shintake, J.; Rosset, S.; Schubert, B.; Floreano, D.; Shea, H. Adv. Mater. 2016, 28, 231. doi: 10.1002/adma.201504264
Yao, C.; Liu, Z.; Yang, C.; Wang, W.; Ju, X. J.; Xie, R.; Chu, L. Y. ACS Appl. Mater. Interf. 2016, 8, 21721. doi: 10.1021/acsami.6b07713
Zhao, Z.; Wang, H.; Shang, L.; Yu, Y.; Fu, F.; Zhao, Y.; Gu, Z. Adv. Mater. 2017, 1704569.
Elbaum, R.; Zaltzman, L.; Burgert, I.; Fratzl, P. Science 2007, 316, 884. doi: 10.1126/science.1140097
Fratzl, P.; Barth, F. G. Nature 2009, 462, 442. doi: 10.1038/nature08603
Armon, S.; Efrati, E.; Kupferman, R.; Sharon, E. Science 2011, 333, 1726. doi: 10.1126/science.1203874
Erb, R. M.; Sander, J. S.; Grisch, R.; Studart, A. R. Nat. Commun. 2013, 4, 1712. doi: 10.1038/ncomms2666
Kuang, M.; Wang, J.; Jiang, L. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 6833. doi: 10.1039/C6CS00562D
徐冬冬, 硕士论文, 郑州大学, 郑州, 2016.Xu, D. D. M. S. Thesis, Zhengzhou University, Zhengzhou, 2015(in Chinese).
Zhang, L. D.; Chizhik, S.; Wen, Y. Z.; Naumov, P. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 1040. doi: 10.1002/adfm.v26.7
Arazoe, H.; Miyajima, D.; Akaike, K.; Araoka, F.; Sato, E.; Hikima, T.; Kawamoto, M.; Aida, T. Nat. Mater. 2016, 15, 1084. doi: 10.1038/nmat4693
Wong, W. S. Y.; Li, M. F.; Nisbet, D. R.; Craig, V. S. J.; Wang, Z. K.; Tricoli, A. Sci. Adv. 2016, 2, 1600417. doi: 10.1126/sciadv.1600417
Zhao, Q.; Heyda, J.; Dzubiella, J.; Tauber, K.; Dunlop, J. W. C.; Yuan, J. Y. Adv. Mater. 2015, 27, 2913. doi: 10.1002/adma.v27.18
Agnarsson, I.; Dhinojwala, A.; Sahni, V.; Blackledge, T. A. J. Exp. Biol. 2009, 212, 1990. doi: 10.1242/jeb.028282
杨倩丽, 康晓明, 孙静, 魏柳荷, 马志, 化工进展, 2015, 34, 3075.Yang, Q. L.; Kang, X. M.; Sun, J.; Wei, L. H.; Ma, Z. Chem. Ind. Eng. Prog. 2015, 34, 3075.
Kim, C. C.; Lee, H. H.; Oh, K. H.; Sun, J. Y. Science 2016, 353, 682. doi: 10.1126/science.aaf8810
Stoychev, G.; Guiducci, L.; Turcaud, S.; Dunlop, J. W. C.; Ionov, L. Adv. Funct. Mater. 2016, 26, 7733. doi: 10.1002/adfm.v26.42
Cheng, H. H.; Liu, J.; Zhao, Y.; Hu, C. G.; Zhang, Z. P.; Chen, N.; Jiang, L.; Qu, L. T. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10482. doi: 10.1002/anie.201304358
Ji, M. Y.; Jiang, N.; Chang, J.; Sun, J. Q. Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 5412. doi: 10.1002/adfm.201401011
Han, D. D.; Zhang, Y. L.; Jiang, H. B.; Xia, H.; Feng, J.; Chen, Q. D.; Xu, H. L.; Sun, H. B. Adv. Mater. 2015, 27, 332. doi: 10.1002/adma.v27.2
Liu, Y. Q.; Ma, J. N.; Liu, Y.; Han, D. D.; Jiang, H. B.; Mao, J. W.; Han, C. H.; Jiao, Z. Z.; Zhang, Y. L. Opt. Mater. Express 2017, 7, 2617. doi: 10.1364/OME.7.002617
Gu, Y. Q.; Huang, X. Y.; Wiener, C. G.; Vogt, B. D.; Zacharia, N. S. ACS Appl. Mater. Interf. 2015, 7, 1848. doi: 10.1021/am507573m
Zhang, L. D.; Naumov, P. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 8642. doi: 10.1002/anie.201504153
He, S. S.; Chen, P. N.; Qiu, L. B.; Wang, B. J.; Sun, X. M.; Xu, Y. F.; Peng, H. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2015, 54, 14880. doi: 10.1002/anie.201507108
Zhao, Q.; Dunlop, J. W. C.; Qiu, X. L.; Huang, F. H.; Zhang, Z. B.; Heyda, J.; Dzubiella, J.; Antonietti, M.; Yuan, J. Y. Nat. Commun. 2014, 5, 5293. doi: 10.1038/ncomms6293
Kitazawa, Y.; Ueno, K.; Watanabe, M. Chem. Rec. 2017, 17, 1. doi: 10.1002/tcr.201780101
Lin, H. J.; Gong, J.; Eder, M.; Schuetz, R.; Peng, H. S.; Dunlop, J. W. C.; Yuan, J. Y. Adv. Mater. Interf. 2017, 4, 1600768. doi: 10.1002/admi.v4.1
Khan, M. K.; Hamad, W. Y.; MacLachlan, M. J. Adv. Mater. 2014, 26, 2323. doi: 10.1002/adma.v26.15
Ilmain, F.; Tanaka, T.; Kokufuta, E. Nature 1991, 349, 400. doi: 10.1038/349400a0
Ma, M. M.; Guo, L.; Anderson, D. G.; Langer, R. Science 2013, 339, 186. doi: 10.1126/science.1230262
Zhang, L.; Liang, H.; Jacob, J.; Naumov, P. Nat. Commun. 2015, 6, 7429. doi: 10.1038/ncomms8429
Zhao, Q.; Yang, X.; Ma, C.; Chen, D.; Bai, H.; Li, T.; Yang, W.; Xie, T. Mater. Horiz. 2016, 3, 422. doi: 10.1039/C6MH00167J
Hu, X. B.; Zhou, J.; Vatankhah-Varnosfaderani, M.; Daniel, W. F. M.; Li, Q. X.; Zhushma, A. P.; Dobrynin, A. V.; Sheiko, S. S. Nat. Commun. 2016, 7, 12919. doi: 10.1038/ncomms12919
Liu, Y. Y.; Xu, B.; Sun, S. T.; Wei, J.; Wu, L. M.; Yu, Y. L. Adv. Mater. 2017, 29, 1604792. doi: 10.1002/adma.201604792
Kobatake, S.; Takami, S.; Muto, H.; Ishikawa, T.; Irie, M. Nature 2007, 446, 778. doi: 10.1038/nature05669
Iamsaard, S.; Anger, E.; Asshoff, S. J.; Depauw, A.; Fletcher, S. P.; Katsonis, N. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 9908. doi: 10.1002/anie.201603579
Wang, H. S.; Cho, J.; Song, D. S.; Jang, J. H.; Jho, J. Y.; Park, J. H. ACS Appl. Mater. Interf. 2017, 9, 21998. doi: 10.1021/acsami.7b04779
Song, S. H.; Lee, J. Y.; Rodrigue, H.; Choi, I. S.; Kang, Y. J.; Ahn, S. H. Sci. Rep. 2016, 6, 21118. doi: 10.1038/srep21118
Islam, M. R.; Li, X.; Smyth, K.; Serpe, M. J. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 10330. doi: 10.1002/anie.201303475
Lee, W. E.; Jin, Y. J.; Park, L. S.; Kwak, G. Adv. Mater. 2012, 24, 5604. doi: 10.1002/adma.201201967
Chen, M. L.; Frueh, J.; Wang, D. L.; Lin, X. K.; Xie, H.; He, Q. Sci. Rep. 2017, 7, 769. doi: 10.1038/s41598-017-00870-w
Lee, S.-W.; Prosser, J. H.; Purohit, P. K.; Lee, D. ACS Macro Lett. 2013, 2, 960. doi: 10.1021/mz400439a
Zhang, F. L.; Fan, J. B.; Zhang, P. C.; Liu, M. J.; Meng, J. X.; Jiang, L.; Wang, S. Npg Asia Mater. 2017, 9, e380. doi: 10.1038/am.2017.61
Chen, M.; Hagedorn, K.; Colfen, H.; Polarz, S. Adv. Mater. 2017, 29, 1603356. doi: 10.1002/adma.v29.2
Liu, J.-c.; Shang, Y.-y.; Zhang, D.-j.; Xie, Z.; Hu, R.-x.; Wang, J.-x. Chin. J. Polym. Sci. 2017, 35, 1043. doi: 10.1007/s10118-017-1981-y
Wu, H.; Kuang, M.; Cui, L.; Tian, D.; Wang, M.; Luan, G.; Wang, J.; Jiang, L. Chem. Commun. 2016, 52, 5924. doi: 10.1039/C6CC01442A
Boudot, M.; Elettro, H.; Grosso, D. ACS Nano 2016, 10, 10031. doi: 10.1021/acsnano.6b04648
Chen, X.; Mahadevan, L.; Driks, A.; Sahin, O. Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 137. doi: 10.1038/nnano.2013.290
Zhao, F.; Liang, Y.; Cheng, H. H.; Jiang, L.; Qu, L. T. Energ. Environ. Sci. 2016, 9, 912. doi: 10.1039/C5EE03701H
Chen, X.; Goodnight, D.; Gao, Z. H.; Cavusoglu, A. H.; Sabharwal, N.; DeLay, M.; Driks, A.; Sahin, O. Nat. Commun. 2015, 6, 7346. doi: 10.1038/ncomms8346
Li, B.; Du, T.; Yu, B.; van der Gucht, J.; Zhou, F. Small 2015, 11, 3494. doi: 10.1002/smll.v11.28
Qin, M.; Huang, Y.; Li, Y. N.; Su, M.; Chen, B. D.; Sun, H.; Yong, P. Y.; Ye, C. Q.; Li, F. Y.; Song, Y. L. Angew. Chem., Int. Ed. 2016, 55, 6911. doi: 10.1002/anie.201602582
Lu, X.; Zhang, Z. T.; Li, H. P.; Sun, X. M.; Peng, H. S. J. Mater. Chem. A 2014, 2, 17272. doi: 10.1039/C4TA03983A
Zhang, L. D.; Naumov, P.; Du, X. M.; Hu, Z. G.; Wang, J. Adv. Mater. 2017, 29, 1702231. doi: 10.1002/adma.v29.37
Wu, Z. L.; Moshe, M.; Greener, J.; Therien-Aubin, H.; Nie, Z.; Sharon, E.; Kumacheva, E. Nat. Commun. 2013, 4, 1586. doi: 10.1038/ncomms2549
Mao, Y. F.; Zheng, Y.; Li, C.; Guo, L.; Pan, Y. N.; Zhu, R.; Xu, J.; Zhang, W. H.; Wu, W. G. Adv. Mater. 2017, 29, 1606482. doi: 10.1002/adma.v29.19
Jeong, J.; Cho, Y.; Lee, S. Y.; Gong, X. T.; Kamien, R. D.; Yang, S.; Yodh, A. G. Soft Matter 2017, 13, 956. doi: 10.1039/C6SM02299E
Cheng, H. H.; Hu, Y.; Zhao, F.; Dong, Z. L.; Wang, Y. H.; Chen, N.; Zhang, Z. P.; Qu, L. T. Adv. Mater. 2014, 26, 2909. doi: 10.1002/adma.v26.18
de Haan, L. T.; Verjans, J. M. N.; Broer, D. J.; Bastiaansen, C. W. M.; Schenning, A. P. H. J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 10585. doi: 10.1021/ja505475x
周智伟, 李庆威, 陈鲁倬, 刘长洪, 范守善, 化学学报, 2016, 74, 738. http://manu19.magtech.com.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract345687.shtmlZhou, Z.; Li, Q.; Chen, L.; Liu, C.; Fan, S. Acta Chim. Sinica 2016, 74, 738. http://manu19.magtech.com.cn/Jwk_hxxb/CN/abstract/abstract345687.shtml
图 1 自然界中植物吸水膨胀前后的形状变化. (A)豆荚[47], (B)小麦芒[48], (C)芝麻荚[49], (D)松果[50], (E)牵牛花
Figure 1 Shape changes in natural plants before and after swelling. (A) An orchid tree seedpod[47], (B) humidity-driven movement of the awns[48], (C) Sesame pods[49], (D) Depending on the ambient humidity, spruce cones change shape[50], (E) Depending on the ambient humidity, morning glory opening and closing
图 2 (A) 1-苯基-2-(p-三甲基硅烷)苯乙炔(PTMSDPA)为活性层和双轴向聚丙烯(BOPP)为承托层制备了溶剂响应的双层驱动器[83]. (B) PBONF增强CNT/PVA双层致动器的制备流程图和在不同湿度下样品的弯曲情况[84]. (C)仿生湿度响应双层驱动器原理图解[85]
Figure 2 (A) Schematic diagram of PTMSDPA/BOPP bilayer film in wet (in ethanol) and dry (in air) process[83]. (B) Schematic illustration of the fabrication procedure for the PBONF-reinforced CNT/PVA bilayer actuators[84]. (C) Schematic diagram illustrating the fabrication of a bioinspired hygromorphic double-layered actuator[85]
图 3 利用不同界面能产生的驱动力. (A)油水凝胶网络二元协同作用下的双向弯曲[86]. (B)溶剂毛细管诱导的自组装微通道展开的示意图[55]
Figure 3 Design of shape-transformable Janus copolymer films. (A) Bidirectional bending under the binary cooperative effect of the hydrogel network and the organogel network[86]. (B) Schematic illustrations of capillary-induced unfolding of the self-assembled microchannel[55]
图 4 离子浓度/孔结构梯度分布. (A)单一材料膜通过吸收溶剂分子的驱动原理, 沿着膜的横截面(自上而下方向)存在静电络合梯度[68]. (B)多孔膜与实心膜响应程度的比较[56]. (C)各向异性层状结构的CNP膜驱动原理示意图[54]
Figure 4 Ion concentration/pore structure gradient distribution. (A) Actuation mechanism via solvent molecule sorption, the structural gradient along the membrane cross-section (top-down direction) [68]. (B) A schematic mechanism of the sensitive actuation of a porous membrane actuator (left) compared to dense one (right)[56]. (C) Scheme of anisotropic layered structures for actuating motions of a CNP film[54]
图 5 外界刺激梯度分布. (A)均一PGO-PDA薄膜驱动器机械运动机理, 水分从底部开始触发, 薄膜底面的亲水PDA与水分子之间形成强的分子之间氢键使膜的底部开始膨胀.下图为在湿润的基底上膜的可逆弯曲行为[32]. (B)单材料光子晶体溶剂驱动器梯度去浸润引起的驱动示意图[89]
Figure 5 External stimulus gradient distribution. (A) Schematic illustration of the mechanical locomotion mechanism of the uniform RGO-PDA thin film actuator. Upon the trigger by moisture from bottom side, hydrophilic PDA inside the bottom layer of RGO-PDA uniform thin film absorbed water to expand due to the formation a stronger intermolecular hydrogen bonds interaction between water molecular and PDA[32]. (B) Solvent-sensitive PC actuators. Gradient de-wetting process of a single-material photonic crystal actuator[89]
图 6 湿度驱动转化为电能的设计与相关性能. (A)将PEE-PPy驱动器与压电材料PVDF组装在一起形成的发电机[73]. (B)湿空气靠近驱动器, 驱动器的运动转换到压电传感器上, 即将机械能转化为电能[66]. (C)湿度驱动转化为电能装置示意图. AG/LGF@AG条带为湿度触发驱动器, 与PVDF组成的压电材料链接在一起, 将化学能转化为电能[53]. (D)水蒸发驱动摆动式发动机, 将其与电磁发电机链接, 产生的电能让LEDs灯亮[93]
Figure 6 Design and performance of a humidity-gradient-driven generator. (A) The assembly of a piezoelectric PVDF element with a PEE-PPy actuator to form the generator[73]. (B) As the moist air reaches the actuator, the bending moment is transferred to a piezoelectric transducer, where the mechanical energy is converted into electrical energy[66]. (C) Sketch of a device for humidity-to-electricity conversion[53]. (D) The evaporation-driven oscillatory engine[93]
图 7 化学能转换成动能, 实现单向行走. (A)部分被保护的CNP膜在环境湿度波动下的单向行走[54]. (B)环境湿度驱动下的自行走行为[94]. (C)由RGO/GO薄膜制成的水响应的爬行机器人[64]. (D)侧面旋转式发动机, 湿度蒸发旋转式发动机驱动微型小车移动图[93]
Figure 7 Chemical energy conversion to kinetic energy by unidirectional walking. (A) Unidirectional walking of a partially protected CNP film driven by fluctuations in ambient humidity[54]. (B) Self-walking of the device on the ratchet substrate driven by changing the environmental humidity[94]. (C) The moisture-responsive crawler robot made of RGO/GO film[64]. (D) A miniature car driven by a rotary engine[93]
图 8 信号转换. (A)交联液晶聚合物(CLCP)膜双模式传感器, 当水分感应和紫外光感应时不同颜色的灯会亮起来[77]. (B)可形状转变的水凝胶/油凝胶Janus膜作为敏感元件实现对溶剂泄露报警功能, 左上为油泄露时演示图, 左下为水泄露时的演示图[86]. (C)整齐排列的MWCNT/PTP复合膜液体微型阀示意图(左)和实验图(右)[96]
Figure 8 Signal transformation. (A) a dual-mode sensor which was assembled by a CLCP film coated with conductive materials and two LED lights of different colors[77]. (B) Smart sensor for solvents leakage detection[86]. (C) Schematic illustration (left) and Image (right) for the experimental setup to a micro-valve based on the aligned MWCNT/PTP composite[96]
图 11 (A) 石墨烯氧化物(GO)石墨烯纤维(GF)在湿度变化下, 不同设计类型的G/GO纤维可逆变形示意图[61]. (B)液晶分子排列方向与膜的长轴呈－45°夹角时, 膜在KOH溶液中激活后在干湿两种环境中都呈现出卷曲行为.下图是液晶分子排列方向与膜的长轴呈+45°夹角时, 膜分别在高、低湿度下的卷曲和非卷曲状态[102]. (C)加固型玻璃纤维在垂直、倾斜排列时湿度响应型驱动器的弯曲情况[53]
Figure 11 (A) Schematic diagrams of different designed G/GO fibers and their reversible deformations with changes in humidity[61]. (B) Ribbon with the molecular director at a 45° angle with respect to the long axis of the film, and the resulting curling behavior after activation in KOH solution[102]. (C) Kinematics of hygroresponsive actuators with perpendicular and oblique reinforcement[53]
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