高超教授團(tuán)隊(duì)將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制備中

高超教授團(tuán)隊(duì)將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制備中

近日，浙江大學(xué)的高超教授團(tuán)隊(duì)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(dòng)系統(tǒng)的制備中。他們從已經(jīng)工業(yè)化的紡紗技術(shù)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(gòu)的氧化石墨烯纖維，賦予其對(duì)稱的手性結(jié)構(gòu)、高柔韌性和大量的應(yīng)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(yīng)力勢能，從而發(fā)生高速的轉(zhuǎn)動(dòng)。其輸出的轉(zhuǎn)速、扭矩以轉(zhuǎn)動(dòng)能等指標(biāo)均超過了之前報(bào)道的同類驅(qū)動(dòng)器。團(tuán)隊(duì)以這種纖維為單元，將不同手性的單元按照特定的順序進(jìn)行組合，接連開發(fā)出高靈敏度的動(dòng)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(shè)計(jì)理念還能擴(kuò)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(dòng)蛋白、膠原蛋白、角蛋白等，是由具有螺旋型的單元細(xì)胞重復(fù)組裝而成。這種對(duì)手性單元進(jìn)行多級(jí)組裝的方式，能使材料具有極佳的力學(xué)性能和環(huán)境適應(yīng)性。例如，由右手性的雙螺旋球狀肌動(dòng)蛋白組成的纖維狀肌動(dòng)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(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)出類似的手性結(jié)構(gòu)，并將這種結(jié)構(gòu)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(dòng)器在能源收集，智能織物和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景，它們?cè)谔囟ǖ囊后w刺激下能發(fā)生多種形變，從而長生驅(qū)動(dòng)能力。



已經(jīng)報(bào)道的溶液驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)仍然在一下幾個(gè)方面受到限制:（1）實(shí)用性，具有實(shí)用性的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要具有在復(fù)雜的工作環(huán)境下工作的能力，并展示出多種驅(qū)動(dòng)模式和精確的能量輸出，這一點(diǎn)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(dòng)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(shè)備的產(chǎn)能極低。（3）工作效率，目前報(bào)道的大多數(shù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其能量轉(zhuǎn)化效率都不高，這是因?yàn)闆]有找到對(duì)溶劑響應(yīng)快，能量輸出能力強(qiáng)的構(gòu)筑單元。



圖文導(dǎo)讀



刺激響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)材料一直是能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，一直以來，人們致力于如何以一種低廉的方式開發(fā)出實(shí)用性好、性能優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前，已報(bào)道的各種各樣的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，雖然能在某種刺激下發(fā)生響應(yīng)，發(fā)生一定的變形。但響應(yīng)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(dòng)領(lǐng)域的發(fā)展。解決這些問題的方法有兩個(gè)：以較低的成本制備出高性能的驅(qū)動(dòng)基元克服性能不足的問題；提出一種高效合理的設(shè)計(jì)理念來梳理驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)過程。



高超教授團(tuán)隊(duì)從這兩個(gè)方面出發(fā)，提出了一套解決方法：



（1）以價(jià)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(shí)賦予其良好的柔韌性，并在纖維內(nèi)部儲(chǔ)存大量的應(yīng)力勢能。



（2）借用天然生物材料的設(shè)計(jì)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(dòng)系統(tǒng)，并且可以收集動(dòng)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(shù)，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(gòu)。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(jié)構(gòu)也很致密，呈現(xiàn)出極佳的力學(xué)性能。



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圖2.手性纖維的溶劑驅(qū)動(dòng)性



研究者研究了手性氧化石墨烯纖維的溶劑驅(qū)動(dòng)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(shí)內(nèi)部儲(chǔ)存的應(yīng)力勢能得到釋放，從而發(fā)生急速的轉(zhuǎn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)模式是可以多次循環(huán)進(jìn)行的，以它為單元構(gòu)筑成雙基元的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)兩個(gè)基元手性相同時(shí)，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(dāng)兩個(gè)基元手性相反時(shí)，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(shí)不發(fā)生任何轉(zhuǎn)動(dòng)。在同手性體系中，其能量輸出大小可以通過控制兩個(gè)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(jìn)一步將三個(gè)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(huì)帶動(dòng)磁鐵發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并在銅線圈內(nèi)部產(chǎn)生電流，這就將動(dòng)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(dòng)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(guān)系，計(jì)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(bào)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(jī)器人的領(lǐng)域也具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價(jià)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(gè)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(dòng)速度和運(yùn)轉(zhuǎn)方向都可以用手性來進(jìn)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。基于這些材料制備的加捻纖維，以其做為基元得到的驅(qū)動(dòng)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(jié)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(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)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(jié)構(gòu)賦予到溶劑驅(qū)動(dòng)以通中來，解決了這個(gè)問題。該團(tuán)隊(duì)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(dòng)。以這種纖維為單元，構(gòu)筑了高靈敏度的動(dòng)能、電能和重力勢能的能量收集系統(tǒng)。進(jìn)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(yīng)用前景。



該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金及科技部重點(diǎn)專項(xiàng)基金的資助，論文第一作者為浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系納米高分子高超課題組的博士生方波。



文獻(xiàn)鏈接：Handedness-Controlledand Solvent-Driven Actuators with Twisted Fibers(MaterialsHorizons,2019,DOI:10.1039/C8MH01647J)

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