80电影天堂网,少妇高潮一区二区三区99,jαpαnesehd熟女熟妇伦,无码人妻精品一区二区蜜桃网站

  能夠對濕度、光、熱和電等外界環(huán)境刺激做出反應的智能材料，已經(jīng)吸引了大量的研究關注，特別是能夠可逆地改變其尺寸和形狀的智能驅動器。其中，濕度驅動器是一種很有趣的智能驅動器，它可以將濕度激發(fā)的化學能轉化為其他形式的能量，如機械能，其最終可呈現(xiàn)為智能驅動器的宏觀機械形變。近年來科研人員對濕度驅動器進行了大量的研究，為其在環(huán)境監(jiān)測、遠程控制、人機交互等前沿領域的應用奠定了基礎。驅動的本質和機制也為驅動器在即將到來的人工智能時代提供了潛力和巨大的發(fā)展空間。

  鑒于此，北京化工大學潘凱教授課題組、浙江大學朱林利教授團隊報道了一種新型的石墨烯基濕度驅動器，它具有精確可控的響應方向和響應位置。所制備的驅動器具有快速的濕度響應性能、變形程度大和優(yōu)秀的力學穩(wěn)定性。微觀結構觀察和理論分析表明，Janus結構和周期性微觀結構誘導了這些新型的濕度驅動器濕度-力學響應的高靈敏度。且激光還原誘導的定向微觀結構能夠精確地控制石墨烯基Janus膜中濕度響應的方向和位置。他們設計了一系列復雜的智能設備，如滾筒狀、帶狀和三維波形狀的濕度驅動器，其濕度響應可以高度匹配并驗證有限元模擬結果，這進一步啟發(fā)了科研人員對智能機器人精確變形的設計。相關工作以“Graphene-Based Moisture Actuator with Oriented Microstructures Prepared by One-Step Laser Reduction for Accurately Controllable Responsive Direction and Position”為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》。

石墨烯基Janus膜的制備

  激光還原是一種簡單、強大、可控的氧化石墨烯（GO）還原方法。作者采用激光還原法成功地制備了石墨烯基Janus膜。相比與未還原的氧化石墨烯層，激光使還原氧化石墨烯（rGO）層具有蓬松的多孔結構和線性取向的微結構(圖1a)。考慮到激光的可編程性，通過計算機軟件設計了一系列的掃描圖案，有一個有趣的現(xiàn)象，即帶圖案的石墨烯基Janus膜在低濕度條件下呈蓮花狀形狀(圖1b)。激光的可控編輯為他們制備的石墨烯濕度驅動器在智能設備中的應用提供了可能。

圖1(a)激光誘導石墨烯基Janus膜制備工藝示意圖。(b)仿生圖案設計。

濕度驅動性能

  濕度驅動性能是濕度驅動器的關鍵，為了進一步研究石墨烯基Janus膜的濕度和溫度響應，他們制備了三種不同激光掃描速度的石墨烯基Janus膜，并對其進行“濕度/溫度驅動響應形變和響應速率”驅動性能測試（圖S2）。在優(yōu)化的基礎上，他們進一步確定了石墨烯基Janus膜的彎曲角度與環(huán)境條件之間的定量關系。其響應性能如圖2所示。結果表明石墨烯基Janus膜可在短時間內(nèi)達到約1000°的彎曲形變，且石墨烯基Janus膜的彎曲能力具有極好的穩(wěn)定性，經(jīng)過“低濕度-高濕度”和“高溫度-低溫度”多次循環(huán)測試后仍保持穩(wěn)定的響應角度；且同比于其他石墨烯基濕度驅動器，高濕度下石墨烯基Janus膜的驅動速率及形變角度更具優(yōu)勢。

圖2(a)在RH=85%和RH = 10%時石墨烯基Janus膜的變形;(b)石墨烯基Janus膜在20℃和60℃下的變形；(c)石墨烯基Janus膜(rGO-1)的水分響應;(d)在RH=20%和RH=85%之間的可逆彎曲運動隨時間變化的曲線；(e)濕度響應的循環(huán)實驗;(f)石墨烯基Janus膜在不同激光速度下的熱響應;(g)可逆彎曲運動在20℃至60℃之間的隨時間變化曲線；(h)溫度響應循環(huán)實驗。

石墨烯基Janus膜的濕度響應的機理探究

  一般來說，結構設計在智能驅動器中起著重要的作用，而濕度響應的關鍵是利用材料或結構的力學性能不匹配來完成相關的智能動作或指令。雙層膜的Janus結構作為一種代表性類型，可以更有效、更直觀地表達不同材料層中外部刺激所產(chǎn)生的機械能。為了更好的解釋石墨烯基Janus膜的濕度驅動機理，本文基于力學原理建立了一個力學模型，采用有限元方法進行模擬分析，以深入了解驅動行為在幾何結構、濕度及力學形變間的關系。作者提出，以單個周期結構為例，相對濕度的增加允許更多的水分子進入GO片層間的空隙空間，從而導致GO層沿著膜的橫向方向膨脹，其中膨脹力與GO片層之間的距離成反比。因此，當濕度增加時，GO膜中致密段的膨脹力大于疏松部分的膨脹力，這種膨脹力的差異是驅動的動力源。當在激光處理下，GO還原為rGO時，可以產(chǎn)生定向取向周期性結構，如圖3所示。為了進一步了解這種各向異性結構對石墨烯基Janus膜水分響應的影響，他們采用有限元方法模擬了具有周期性結構的各向異性膜的力學響應。作者提出了一個機理模型來揭示激光還原形成的各向異性和周期結構的變形機制（圖4）。在周期結構中取出一個元素進行分析，沿激光方向的拉伸(rGO_90°)可以簡化為多個平行彈簧的拉伸，而垂直于激光方向的拉伸(rGO_0°)可以簡化為多個串聯(lián)彈簧的拉伸。如圖5所示，模擬分析得到的變形效果與實際濕度驅動響應的形變結果有很好的吻合性，充分說明上述提出的驅動機理及建立的力學模型的科學性。

圖3 (c)中(a)rGO層和(b)GO層截面的放大SEM圖像;(c)石墨烯基Janus膜的橫截面SEM;(d) RGO層表面的SEM圖像和插圖顯示表面接觸角(59°);(e)GO層表面和表面接觸角(94°)的SEM圖像;(f₁)石墨烯基Janus膜表面的SEM圖像;(f₂) (f₁)的放大SEM圖像;GO/RGO Janus執(zhí)行器表面(g₁)和截面(h₁)的AFM圖像;(g₂) (g₁) AFM放大圖像;(h₂) (h₁)中的AFM放大圖像。

圖4 (a)石墨烯基Janus膜rGO_0°和rGO_90°的力學等效分析模擬;(b)水分響應過程中rGO_90°的力學模擬機理圖。

驅動應用

  利用上述的Janus結構和激光誘導的定向微觀結構，所得到的石墨烯基Janus膜可以作為具有位置設置和方向可控響應的致動器。他們做了一些編程來設計還原氧化石墨烯膜，并從理論上分析了不同情況下的力學變形模式。

圖5可控制位置和方向的石墨烯基Janus膜的設計、力學模擬和應用。

  小結：作者利用一步激光還原法成功地制造了一種石墨烯基水分驅動器，它具有精確可控的響應方向和響應位置。受益于激光誘導的定向微結構和Janus結構，石墨烯基水分驅動器具有良好的濕度-力學響應行為。通過對激光誘導的線性排列微觀結構的進一步觀察和理論分析與建模，闡明了驅動行為中位置和方向可控響應的機理。此外，他們設計的一些復雜智能設備，如滾筒狀、帶狀和三維波形狀的濕度驅動器，可以與有限元模擬結構高度一致，有望在智能機器人、智能傳感器、仿生設備和其他需要高力學精度的前沿領域得到廣泛的應用。

  全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.2c00873