高超教授團隊將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅(qū)動系統(tǒng)制備中
高超教授團隊將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅(qū)動系統(tǒng)制備中
近日，浙江大學的高超教授團隊提出了一種手性控制規(guī)則，成功將生物材料的手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅(qū)動系統(tǒng)的制備中。他們從已經(jīng)工業(yè)化的紡紗技術得到靈感，以柔性氧化石墨烯薄膜為原料，將其加捻成具有螺旋狀織構的氧化石墨烯纖維，賦予其對稱的手性結構、高柔韌性和大量的應力勢能。這種手性的氧化石墨烯纖維在極性溶劑的刺激下釋放出應力勢能，從而發(fā)生高速的轉(zhuǎn)動。其輸出的轉(zhuǎn)速、扭矩以轉(zhuǎn)動能等指標均超過了之前報道的同類驅(qū)動器。團隊以這種纖維為單元，將不同手性的單元按照特定的順序進行組合，接連開發(fā)出高靈敏度的動能輸出系統(tǒng)、電能輸出系統(tǒng)和重力勢能收集系統(tǒng)。更重要的是，這種手性控制設計理念還能擴展到多種維度的納米粒子和高分子材料中，具有良好的普適性。該工作以“Handedness-Controlled and Solvent-Driven Actuators with Twisted Fibers”為題發(fā)表在Materials Horizons上。
自然界中的很多生物材料，如DNA、肌動蛋白、膠原蛋白、角蛋白等，是由具有螺旋型的單元細胞重復組裝而成。這種對手性單元進行多級組裝的方式，能使材料具有極佳的力學性能和環(huán)境適應性。例如，由右手性的雙螺旋球狀肌動蛋白組成的纖維狀肌動蛋白可以使肌肉在張力下保持剛性，在扭轉(zhuǎn)作用下保持彈性。由左手性的基元螺旋纖維向右手方向扭轉(zhuǎn)組裝而成的超螺旋結構，可以使膠原蛋白具有可靠的抗損傷能力和韌性。如何在微米尺度設計出類似的手性結構，并將這種結構的帶來的優(yōu)良特性賦予到人工材料中仍存在著巨大的挑戰(zhàn)。溶致驅(qū)動器在能源收集，智能織物和軟體機器人等領域具有巨大的應用前景，它們在特定的液體刺激下能發(fā)生多種形變，從而長生驅(qū)動能力。
已經(jīng)報道的溶液驅(qū)動系統(tǒng)仍然在一下幾個方面受到限制:（1）實用性，具有實用性的驅(qū)動系統(tǒng)需要具有在復雜的工作環(huán)境下工作的能力，并展示出多種驅(qū)動模式和精確的能量輸出，這一點很少得到解決。（2）可加工性，大多數(shù)業(yè)已開發(fā)的驅(qū)動系統(tǒng)其基元需要苛刻的加工工藝，更是需要繁雜的凈化系統(tǒng)來去除雜質(zhì)，且生產(chǎn)設備的產(chǎn)能極低。（3）工作效率，目前報道的大多數(shù)驅(qū)動系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)化效率都不高，這是因為沒有找到對溶劑響應快，能量輸出能力強的構筑單元。
圖文導讀
刺激響應的驅(qū)動材料一直是能源領域的研究熱點，一直以來，人們致力于如何以一種低廉的方式開發(fā)出實用性好、性能優(yōu)異的驅(qū)動系統(tǒng)。目前，已報道的各種各樣的驅(qū)動系統(tǒng)，雖然能在某種刺激下發(fā)生響應，發(fā)生一定的變形。但響應較慢、能量輸出不高、靈敏度差、且工作模式也很單一，這些問題極大限制了智能驅(qū)動領域的發(fā)展。解決這些問題的方法有兩個：以較低的成本制備出高性能的驅(qū)動基元克服性能不足的問題；提出一種高效合理的設計理念來梳理驅(qū)動系統(tǒng)的研發(fā)過程。
高超教授團隊從這兩個方面出發(fā)，提出了一套解決方法：
（1）以價格低廉的氧化石墨烯分散液做為原材料，參照工業(yè)紡紗的原理制備連續(xù)加捻的手性氧化石墨烯纖維。在加捻的同時賦予其良好的柔韌性，并在纖維內(nèi)部儲存大量的應力勢能。
（2）借用天然生物材料的設計理念，將不同手性的纖維組裝在一起，通過控制纖維輸出的扭矩大小，得到了一系列高靈敏度，高能量輸出效率的溶劑驅(qū)動系統(tǒng)，并且可以收集動能，電能和重力勢能等不同能量。
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圖1.連續(xù)加捻工藝制備手性氧化石墨烯纖維的示意圖
研究人員利用微流道技術，采用濕法紡膜的方式使氧化石墨烯水溶液注入凝固浴中，得到柔性極佳的氧化石墨烯膜。加捻后，可使薄膜在法向力的作用下沿著統(tǒng)一方向形成螺紋狀織構。法向力的作用方向可以控制螺紋的走向，從而使纖維具有“左”和“右”兩種手性。纖維的表面非常均勻，內(nèi)部結構也很致密，呈現(xiàn)出極佳的力學性能。
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圖2.手性纖維的溶劑驅(qū)動性
研究者研究了手性氧化石墨烯纖維的溶劑驅(qū)動能力。由于氧化石墨烯與極性溶劑具有良好的親和力，在與極性溶劑接觸時內(nèi)部儲存的應力勢能得到釋放，從而發(fā)生急速的轉(zhuǎn)動。這種驅(qū)動模式是可以多次循環(huán)進行的，以它為單元構筑成雙基元的驅(qū)動系統(tǒng)。當兩個基元手性相同時，在溶劑的刺激下輸出同向的合扭矩，發(fā)生快速的扭轉(zhuǎn)；當兩個基元手性相反時，輸出的扭矩大小相同，方向相反合扭矩為零，體系與溶劑接觸時不發(fā)生任何轉(zhuǎn)動。在同手性體系中，其能量輸出大小可以通過控制兩個基元的間距來控制：間距越小，能量輸出越高。這就是手性控制理念的基本體現(xiàn)，它可以用在織物中，并在溶劑中控制織物的扭轉(zhuǎn)變形。
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圖3.高靈敏度的電能收集系統(tǒng)
進一步將三個手性纖維基元組裝在一起，提出一套高靈敏度的電能收集系統(tǒng)。他們將一塊磁鐵與纖維連接在一起，并在四周放上磁感銅線圈。在溶劑的刺激下，纖維會帶動磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動，并在銅線圈內(nèi)部產(chǎn)生電流，這就將動能成功轉(zhuǎn)換成電能輸出。改變纖維的手性可以使系統(tǒng)輸出不同的動能，且具有不同的頻率。通過研究纖維手性搭配和電能輸出大小的關系，計算所有系統(tǒng)的能量輸出效率，發(fā)現(xiàn)其效率值普遍高于50%，這比之前報道的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)要高。
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圖4.高靈敏度的操作系統(tǒng)和重力勢能收集系統(tǒng)
這種能量收集系統(tǒng)在軟體機器人的領域也具有相當?shù)膽脙r值。研究人員模仿人的手掌，將四根纖維組合在一起。在溶劑的刺激下，這種四個基元的工作系統(tǒng)可以靈活地操作比自身重160倍的重物。重物的重力勢能變化，啟動速度和運轉(zhuǎn)方向都可以用手性來進行精確地控制。
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圖5.基于不同材料的手性控制系統(tǒng)
不僅限于二維的石墨烯材料，這種手性控制的理念還可以延伸到零維的二氧化鈦納米粒子，一維的碳納米管和高分子材料?；谶@些材料制備的加捻纖維，以其做為基元得到的驅(qū)動系統(tǒng)具有和上述系統(tǒng)相同的靈敏度，證明了該理念的普適性。
小結與展望
以一種合理有效的理念制備出成本低、效率高的溶劑驅(qū)動系統(tǒng)是一個困擾了研究人員很久的難題。高超教授課題組提供了一種手性控制原則，將DNA、肌肉蛋白和膠原蛋白等生物材料的手性結構賦予到溶劑驅(qū)動以通中來，解決了這個問題。該團隊針從氧化石墨烯分散液出發(fā)，采用紡紗工藝制備出柔韌的手性氧化石墨烯纖維，這種纖維能在多種溶劑刺激下發(fā)生快速驅(qū)動。以這種纖維為單元，構筑了高靈敏度的動能、電能和重力勢能的能量收集系統(tǒng)。進一步的，研究人員將這種理念拓展到其它維度的材料中，在未來具有非常好的應用前景。
該研究工作獲得國家自然科學基金及科技部重點專項基金的資助，論文第一作者為浙江大學高分子科學與工程學系納米高分子高超課題組的博士生方波。
文獻鏈接：Handedness-Controlledand Solvent-Driven Actuators with Twisted Fibers(MaterialsHorizons,2019,DOI:10.1039/C8MH01647J)
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