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青島能源所利用木質素粘合策略構建納米纖維素基柔性智能驅動器

發布時間:2021/11/26 16:25:22編輯:Ma Liang
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具有環境刺激響應性的柔性智能驅動器在機械、生物醫藥、傳感器、人工肌肉和機器人等領域頗具應用潛力。中國科學院青島生物能源與過程研究所代謝物組學研究組受到松果球鱗片濕度響應性形變現象的啟發,利用木質素粘合策略,構建出新型的納米纖維素基柔性智能驅動器。
 
  為了實現快速和多重刺激響應,制備柔性驅動器的典型方法是設計雙層、多層或各向異性結構,以將尺寸變化轉換為預期的運動以響應外部刺激。其中,二維雙層異質膜具有非對稱的吸濕性、導電性或光學特性,引起廣泛關注。然而,傳統的異質膜制備需要加入特殊界面,或進行復雜的化學反應等,制備成本較高。事實上,在自然界中,掉落的松果球的鱗片(由于其中纖維素的吸濕性和鱗片的特殊結構)會隨環境濕度的變化而產生開合運動。受到這種自然現象的啟發,研究可以利用纖維素來制備環境響應性柔性驅動器。而纖維素基的驅動器由于纖維素表面大量親水基團的存在不耐水,層間結合差,更不能在潮濕環境下使用。
 
  在植物細胞壁中,木質素作為天然粘合劑,其疏水結構骨架(苯丙烷聚合物)賦予植物纖維管束組織良好的抗水性。受此啟發,科研人員在前期建立的納米纖維素清潔制備和應用研究的基礎上(Carbohyd. Polym., 2019, 209, 130-144,入選高被引文章;ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, 7, 1327-1336,封面文章;J. Hazard. Mater., 2020, 400, 123106),以煙桿為原料,經甲酸水解法制備出含有木質素的纖維素納米纖絲(LCNF),而后利用LCNF分散液制備得到含有木質素的纖維素納米紙(CNP),由于木質素的存在,所得CNP的耐水性和濕強更高【濕拉伸強度達83MPa(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 13021-13030,封底文章)】。
 
  在該含有木質素的CNP濕膜上再抽濾一層氧化石墨烯(GO),干燥后可制得具有GO/CNP雙層結構的異質膜。由于木質素的存在和粘合作用,兩層結合緊密,且具有良好的耐水性和水相穩定性。研究再將GO/CNP干膜浸漬于抗壞血酸水溶液中做還原處理,可將GO層清潔還原為還原氧化石墨烯(rGO)層,干燥后得到rGO/CNP雙層結構的異質膜,該膜同樣具有較好的耐水性和水相穩定性,且CNP層中適量羥基的吸、失水引起的CNP層的潤脹和收縮,可賦予該異質膜的記憶性形變特性(類似松果球的鱗片隨環境濕度變化的開合運動)。同時,由于rGO層具有較好的光熱轉換效應和焦耳熱效應,使該異質膜兼具有很好的近紅外光響應性和電驅動性,其電驅動響應速度可達1.875°/s/V,是文獻報道的具有同等重量的同類碳/聚合物基柔性驅動器電驅動響應速度的最高值。此外,該異質膜設計制備簡單,層間不需要加入任何助劑,易于大面積制備,克服了常規異質膜層間結合弱的問題,具有優異的使用耐久性和循環使用性(耐折度>1000次,濕度穩定,耐久電驅動性>500個循環),在驅動器和智能器件的開發領域頗有應用前景。
 
  該研究利用木質素的界面粘合作用來組裝多重刺激響應性異質膜的策略,可為新型智能柔性驅動器的設計和構建提供重要借鑒,且木質纖維原料的有效利用更符合人類社會的可持續發展。相關研究成果發表在Chemical Engineering Journal上。研究工作得到國家自然科學基金、山東省自然科學杰出青年基金和青島能源所自主部署基金等的支持。

微信號:ayiwangapp17

(來源: 青島生物能源與過程研究所 )

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