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  智能驅(qū)動(dòng)器即是指可以自發(fā)的將外部刺激（溫度、濕度、光等）轉(zhuǎn)化為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的裝置。氧化石墨烯（GO）因自身富含親水性能的含氧官能團(tuán)，故常被用來(lái)制備濕度驅(qū)動(dòng)器。利用不同材料在濕度條件下吸水溶脹的差異性，將氧化石墨烯（GO）與其他材料結(jié)合制得Janus結(jié)構(gòu)薄膜，是制得濕度驅(qū)動(dòng)器常見(jiàn)的方法。不過(guò)，Janus薄膜的制備一般略為復(fù)雜，對(duì)兩種材料間的粘接性要求也極為嚴(yán)格。

  近日，為突破傳統(tǒng)Janus薄膜濕度驅(qū)動(dòng)器的限制，北京化工大學(xué)潘凱研究員課題組成功制備了一種基于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、單純氧化石墨烯（AGO）薄膜的濕度驅(qū)動(dòng)器。對(duì)氧化石墨烯薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)控，形成一側(cè)為褶皺層（AGO-W）、一側(cè)為相對(duì)平滑層（AGO-S）的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)上的非對(duì)稱設(shè)計(jì)使得氧化石墨烯薄膜在濕度相對(duì)較低時(shí)，向褶皺層一側(cè)彎曲形變；濕度相對(duì)較高時(shí)，則向平滑層一側(cè)彎曲，表現(xiàn)出較為快速平穩(wěn)的響應(yīng)速率，及高于傳統(tǒng)濕度驅(qū)動(dòng)薄膜彎曲角度的宏觀大形變量。

圖1：非對(duì)稱氧化石墨烯膜濕度驅(qū)動(dòng)器的制備

  這種非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、純氧化石墨烯（AGO）薄膜的制備方法簡(jiǎn)單易操作，即將GO懸浮液均勻涂覆在預(yù)拉伸的彈性基底表面并干燥，利用彈性基底的應(yīng)力釋放回縮，形成褶皺層，隨后在褶皺層表面再次涂覆GO懸浮液至褶皺層完全覆蓋，以形成平滑層，待完全干燥后剝離即可。

圖2：非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、純氧化石墨烯薄膜的SEM圖片及拉曼表征

圖a：AGO光滑面SEM圖；圖b、c：AGO褶皺面SEM圖；圖d、e：AGO斷面SEM圖；圖f：AGO拉曼表征譜圖；

  從SEM圖中可看出，AGO-S表面相對(duì)光滑，而AGO-W表面有著緊湊有序排列的褶皺結(jié)構(gòu)，使得GO膜有著明顯的結(jié)構(gòu)非對(duì)稱性；同時(shí)，斷面圖中可觀察到褶皺層及平滑層之間存在一定的空腔結(jié)構(gòu)，這都為濕度條件下AGO膜的宏觀大形變量奠定了一定基礎(chǔ)。

圖3：非對(duì)稱結(jié)構(gòu)、氧化石墨烯薄膜的實(shí)物圖及驅(qū)動(dòng)機(jī)理

圖a：AGO膜光滑面及褶皺面實(shí)物圖；圖b：AGO膜在低濕度及高濕度下的彎曲形變；圖c、d、e：AGO膜的濕度驅(qū)動(dòng)機(jī)理；

  與其他濕度驅(qū)動(dòng)材料相比，GO具有豐富的含氧官能團(tuán)，表現(xiàn)出優(yōu)異的吸濕性能。AGO膜在濕度條件下發(fā)生的響應(yīng)形變關(guān)鍵就在于GO吸水或解吸時(shí)的體積變化，高濕度時(shí)，GO表面的含氧官能團(tuán)與水分子結(jié)合產(chǎn)生氫鍵，GO片層間由于層間水的存在而膨脹；反之低濕度時(shí)，層間失水，氫鍵遭到破壞，層間距繼而變小。同時(shí)AGO因兩側(cè)的微觀非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在吸水或失水時(shí)表現(xiàn)出體積變化量的差異，使得AGO膜受到相反方向的驅(qū)動(dòng)力，最終形成高低濕度下方向不同的彎曲大形變。

  以上相關(guān)成果已發(fā)表在Nanoscale（DOI: 10.1039/c8nr01785a），通訊作者為潘凱研究員，第一作者為研究生邱遠(yuǎn)游，研究生王銘銻作為共同第一作者。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/nr/c8nr01785a