北京化工大学潘凯研究员课题组：非对称结构、纯氧化石墨烯薄膜的湿度驱动器
智能驱动器即是指可以自发的将外部刺激（温度、湿度、光等）转化为机械运动的装置。氧化石墨烯（GO）因自身富含亲水性能的含氧官能团，故常被用来制备湿度驱动器。利用不同材料在湿度条件下吸水溶胀的差异性，将氧化石墨烯（GO）与其他材料结合制得Janus结构薄膜，是制得湿度驱动器常见的方法。不过，Janus薄膜的制备一般略为复杂，对两种材料间的粘接性要求也极为严格。
近日，为突破传统Janus薄膜湿度驱动器的限制，北京化工大学潘凯研究员课题组成功制备了一种基于非对称结构、单纯氧化石墨烯（AGO）薄膜的湿度驱动器。对氧化石墨烯薄膜的微观结构进行设计调控，形成一侧为褶皱层（AGO-W）、一侧为相对平滑层（AGO-S）的非对称结构。这种结构上的非对称设计使得氧化石墨烯薄膜在湿度相对较低时，向褶皱层一侧弯曲形变；湿度相对较高时，则向平滑层一侧弯曲，表现出较为快速平稳的响应速率，及高于传统湿度驱动薄膜弯曲角度的宏观大形变量。
图1：非对称氧化石墨烯膜湿度驱动器的制备
这种非对称结构、纯氧化石墨烯（AGO）薄膜的制备方法简单易操作，即将GO悬浮液均匀涂覆在预拉伸的弹性基底表面并干燥，利用弹性基底的应力释放回缩，形成褶皱层，随后在褶皱层表面再次涂覆GO悬浮液至褶皱层完全覆盖，以形成平滑层，待完全干燥后剥离即可。
图2：非对称结构、纯氧化石墨烯薄膜的SEM图片及拉曼表征
图a：AGO光滑面SEM图；图b、c：AGO褶皱面SEM图；图d、e：AGO断面SEM图；图f：AGO拉曼表征谱图；
从SEM图中可看出，AGO-S表面相对光滑，而AGO-W表面有着紧凑有序排列的褶皱结构，使得GO膜有着明显的结构非对称性；同时，断面图中可观察到褶皱层及平滑层之间存在一定的空腔结构，这都为湿度条件下AGO膜的宏观大形变量奠定了一定基础。
图3：非对称结构、氧化石墨烯薄膜的实物图及驱动机理
图a：AGO膜光滑面及褶皱面实物图；图b：AGO膜在低湿度及高湿度下的弯曲形变；图c、d、e：AGO膜的湿度驱动机理；
与其他湿度驱动材料相比，GO具有丰富的含氧官能团，表现出优异的吸湿性能。AGO膜在湿度条件下发生的响应形变关键就在于GO吸水或解吸时的体积变化，高湿度时，GO表面的含氧官能团与水分子结合产生氢键，GO片层间由于层间水的存在而膨胀；反之低湿度时，层间失水，氢键遭到破坏，层间距继而变小。同时AGO因两侧的微观非对称结构，在吸水或失水时表现出体积变化量的差异，使得AGO膜受到相反方向的驱动力，最终形成高低湿度下方向不同的弯曲大形变。
以上相关成果已发表在Nanoscale（DOI: 10.1039/c8nr01785a），通讯作者为潘凯研究员，第一作者为研究生邱远游，研究生王铭锑作为共同第一作者。
论文链接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/nr/c8nr01785a
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