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天津科大劉葦教授、侯慶喜教授團隊 CEJ：高效多功能的Janus生物納米復合膜用于可控的高靈敏水下制動器

2023-10-27 來源：高分子科技

近年來，利用刺激響應材料制備致動器受到了極大的關注，在藥物遞送、醫(yī)療保健、微型機器人等領域的應用日益廣泛。目前，致動器所用刺激響應材料主要是通過化學或物理刺激引起形變。這些刺激響應材料在致動器和軟體機器人中的應用主要受以下方面的限制：（1）急需可持續(xù)的、可生物降解的、豐富的聚合物作為原料；（2）靈活、精確的設計；（3）優(yōu)異的性能，如響應快、精度高；（4）可規(guī)模化生產(chǎn)。因此，利用可持續(xù)和可生物降解的材料，通過靈活、精確的設計，制備具有快速響應的致動器是亟待開發(fā)的重要方向。

天津科技大學劉葦教授團隊針對致動器在材料和設計方面面臨的問題進行了研究。首先，從農(nóng)業(yè)廢棄物中制備了一種含木質(zhì)素的纖維素納米纖維（LCNF）；其次，將LCNF作為納米填料引入聚乙烯醇（PVA）網(wǎng)絡結構中，并通過調(diào)節(jié)其在PVA膜中的含量和分布，構建了一種具有Janus結構的生物納米復合膜；然后，研究發(fā)現(xiàn)，該復合膜在液相中表現(xiàn)出了突出的強度性能、機械穩(wěn)定性、耐水性和可重復變形等性能；該復合膜在不同種類、不同濃度的鹽溶液中具有高靈敏和快速的響應性；最后，受該復合膜對鹽的高靈敏度響應的啟發(fā)，設計了流量開關和機械手，均表現(xiàn)出優(yōu)異的智能可控的性能，探索了該復合膜用于水下致動器方面的應用潛力。在該研究中，（1）通過對LCNF在PVA網(wǎng)絡結構中的合理調(diào)控，不僅為PVA網(wǎng)絡提供了Janus結構，而且提高了PVA網(wǎng)絡的氫鍵強度，提高了強度性能；（2）通過堿處理誘導PVA結晶，增強了PVA網(wǎng)絡的交聯(lián)程度，形成了高密度的耐水結構；（3）通過合理的預拉伸處理對復合膜的結構進一步調(diào)控，引發(fā)Janus膜的刺激響應性。這項研究對制備可持續(xù)和可生物降解的水下多功能制動器提供了一種新的策略。

圖1. 生物納米復合膜的制備工藝流程圖（a），結構和變形機理（b），堿處理對復合膜的影響（c），對鹽濃度刺激響應示意圖（d）

圖2.（a, b）LCNF/PVA干膜和LCNF/PVA-AT干膜的應力-應變曲線圖；（c）LCNF/PVA-AT濕膜的應力-應變曲線；（d）不同含水率下LCNF/PVA-AT膜的應力-應變曲線圖；（e）與其他研究的對比；（f）LCNF/PVA-AT薄膜和PVA-AT薄膜預拉伸前后的應力-應變曲線圖；（g）LCNF/PVA-AT膜隨水溫變化的應力穩(wěn)定性；（h, i）LCNF/PVA-AT濕膜的穿刺強度和形變恢復能力

圖3.（a）LCNF/PVA-AT膜對鹽的刺激響應；（b, d）LCNF/PVA-AT膜在NH₄Cl溶液中的形變；（e）LCNF/PVA-AT膜在2 mol/L NH₄Cl溶液中的彎曲角度；（f, g）預拉伸和LCNF含量對LCNF/PVA-AT膜形變的影響；（c, h）LCNF/PVA-AT膜在NH₄Cl溶液中的循環(huán)變形；（i） LCNF/PVA-AT膜與其他研究的對比

圖4.（a）LCNF/PVA-AT的形變能力；（b, c）LCNF/PVA-AT作為流量開關的工作過程；（d）LCNF/PVA-AT機械手的工作過程

更多信息請參見Chemical Engineering Journal期刊論文“High performance and multifunctional Janus bio-nanocomposite film for underwater actuators with excellent sensitivity and controllability”。天津科技大學研究生任倩為該文第一作者，天津科技大學劉葦教授和侯慶喜教授為該文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、天津市自然科學基金重點項目的支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141115

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（責任編輯：xu）

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