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甯波材料所在二維非對稱超薄膜構建及其仿生應用方面取得進展
作者:,日期:2019-04-26

  二維非對稱(Janus)薄膜材料因其獨特的物理/化學性質,在柔性傳感、能源存儲與轉換、仿生驅動器等領域具有巨大的應用價值,近年來受到了越來越廣泛的關注和研究。爲實現二維Janus薄膜材料在特定領域的應用,功能單元的選擇、界面集成和功能協同極爲關鍵。

  碳納米材料(碳納米管、石墨烯等)因其優越的物理、化學以及電學性能,被認爲是一種理想的導電、導熱功能單元材料。而高分子材料則具有碳材料所不具備的可拉伸性、化學功能性、刺激響應性等性質。因此如何將二者進行有效的界面結合,並實現其功能協同性應用具有重要意義。

  为此,中國科學院宁波材料技术与工程研究所陈涛研究员团队开展了一系列工作。为实现碳纳米材料的可控、高效组装,科研人员发展了一种水-空界面毛细力诱导挤压的方法,构建了大面积、可任意转移的碳纳米管薄膜(Chem. Mater., 2016, 28, 7125)。進一步研究人員發現,所獲得碳納米管薄膜在經過後續的可控陳化組裝後,可在水-空界面實現非對稱的親疏水性(Chem. Commun., 2018, 54, 12804)。這種具有非對稱親疏水性的碳納米管薄膜可作爲一種重要的活性功能平台進行後續的界面非對稱複合,實現柔性可拉伸的傳感器件(Adv. Mater. Interfaces 2016, 3, 1600170; J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 6666)。

  基于上述研究,最近,研究人員以水-空界面陳化組裝所得到的碳納米管進行原位的聚二甲基矽氧烷彈性體的非對稱界面可控集成,獲得了超薄、可拉伸、自粘附、自適性的Janus導電複合薄膜。通過調控導電單元和彈性單元的相對組成,可有效實現厚度、粘附性、導電性的有效調控。所得到的Janus超薄膜可沿著皮膚紋路緊密貼附,其可作爲表皮電子器件,實現對人體肢體運動、生理脈搏信號的實時高靈敏檢測。還可作爲自粘附的非支撐器件,對外界的非接觸性信號,如氣流抖動、微弱氣壓變化、空氣振動等實現高效探測。此外,所制備的Janus超薄膜具有良好的氣動驅動的性質,可在微小的氣壓下實現可控驅動行爲。基于這些優異的性質,研究人員構建了一種仿青蛙鳴囊的自傳感驅動器,能在氣動驅動下進行可控的驅動,驅動的過程中對碳管的拉伸會轉化爲電信號進行輸出,在智能仿生皮膚領域具有潛在應用價值(ACS Nano, 2019, DOI:10.1021/acsnano.8b09600)。

  以上工作得到了国家自然科学基金(51573203)、中科院前沿科学重点研究项目(QYZDB-SSW-SLH036)、中科院國際合作重点项目(174433KYSB20170061)的资助。

图1 非对称界面复合构筑超薄膜Janus超薄膜

  (高分子事业部 肖鹏)