北化大潘凯教授团队、浙大朱林利教授团队：具有仿生微结构的“新一代”氧化石墨烯智能湿度驱动膜

针对上述问题，北京化工大学潘凯教授团队、浙江大学朱林利教授团队向自然界模仿学习，受到自然界软体爬行动物的形态及运动方式的启发，突破了上述常见的设计理念，结合力学模拟等多学科角度，制备出一种仿生周期梯度结构的单纯GO膜湿度驱动器，实现了响应角度大，响应速率快，驱动行为可逆，循环重复性好的优异驱动性能。

研究发现在自然界中，无脊椎软体爬行动物的运动方式与其身体结构有着密切的联系，如毛毛虫的分段结构。经启发，作者利用模板法设计出具有有序微结构的GO膜，如图1，可看出GO膜中具有周期排列的疏松及致密区域，二者片层间距有着明显差异且存有一定梯度。

图1 （a-b）具有周期梯度微结构GO膜的制备机制；（c）周期分段结构GO膜的SEM断面图；（d-e）疏松区域及致密区域的EDX分析。

湿度驱动性能是湿度驱动器的关键，为清晰的定量分析，作者对响应弯曲角（θ °）进行自定义，如图2，并进行对仿生GO膜进行“湿度驱动响应形变、响应速率、循环性”驱动性能测试，结果表明GO膜可在短时间内达到约1000 °的弯曲形变，且经过“高湿度-低湿度”多次循环测试仍保持稳定的响应角度；且同比于其他石墨烯基湿度驱动器，高湿度下仿生GO膜的驱动速率及形变角度更具优势。

图2 （a）响应角度示意图；（b）在不同的相对湿度（RH）下弯曲形变角度图；（c）在一系列相对湿度下响应时间及弯曲形变角度；（d）高低湿度下弯曲形变重复性实验；（e）驱动速率及形变角度对比图。

为了定量地揭示仿生GO膜的湿度驱动机理，本文基于机械原理建立了一个力学模型，采用有限元方法进行模拟分析，以深入了解驱动行为在几何结构、湿度及力学形变间的关系。作者提出，以单个疏密周期结构为例，相对湿度的增加允许更多的水分子进入GO片层间的空隙空间，从而导致GO膜沿薄膜的横向方向膨胀，其中膨胀力与GO片层之间的层距离成反比。因此，当湿度增加时，GO薄膜中，致密段的膨胀力大于疏松部分的膨胀力，这种膨胀力的差异是驱动的动力源。同时在给定四分之一单元中，由于这两个表面的层间距离不同，具有相同极角的上下表面的膨胀力是不同的，被认为是形变方向的决定性因素。如图3所示，结果表明，模拟分析得到的形变效果与实际记录结果有很好的吻合性，充分说明上述提出的驱动机理及建立的力学模型的科学性。

图3 （a）GO膜驱动器的机械模型；（b）微结构中驱动机制示意图；（c）局部GO膜的受力分析示意图；（d）宏观及微观形变示意图；（e-f）有限元模拟仿真结果及实验结果。

优异的驱动性能及独特的结构设计赋予仿生GO膜广阔的应用空间，作者根据周期梯度GO薄膜的特性，成功制备了类似于毛毛虫爬行运动的智能行走装置（图4），在循环湿度驱动下，可在带有间隔相同的棘轮印记的纸板爬行移动，实现了智能行走装置的可控可设计。

图4 仿生智能步行设备在棘轮基板上的运动照片，“on”和“off”分别表示增加和减少相对湿度。

结合仿生GO膜的结构可知，由于周期性的微观结构的存在，仿生GO膜湿度驱动器具有各向异性，因此，根据该种特性并结合自然界植物卷曲形态的启发，作者对GO膜沿着与微结构排列方向呈0 °、45 °、90 °的方向进行裁剪，以实现方向及形态的控制（图5），并为可编程式智能湿度驱动提供了广阔的思路及发展空间。

图5  0 °、45 °、90 °的切割角度下，GO膜的仿生各向异性弯曲形变。

该研究成果以“Bio-inspired high sensitivity of moisture-mechanical GO films with period-gradient structures”为题，发表于ACS Applied Materials & Interfaces（DOI: 10.1021/acsami.0c07956）。论文的第一作者为北京化工大学硕士研究生王铭锑、浙江大学硕士研究生李祺聪，通讯作者为北京化工大学潘凯教授和浙江大学朱林利教授。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsami.0c07956

相关进展

北化大潘凯教授团队《AFM》：1D+2D纳米材料协同制备强韧3D石墨烯气凝胶用于压阻式传感器

北京化工大学潘凯研究员和北京科技大学李从举教授合作：基于褶皱纳米纤维膜的柔性可拉伸摩擦纳米发电机

北京化工大学潘凯研究员课题组：具有连续梯度褶皱结构的高性能柔性压力传感器

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