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天津科大劉葦教授、侯慶喜教授團(tuán)隊(duì) CEJ：高效多功能的Janus生物納米復(fù)合膜用于可控的高靈敏水下制動器
2023-10-27  來源：高分子科技


  近年來，利用刺激響應(yīng)材料制備致動器受到了極大的關(guān)注，在藥物遞送、醫(yī)療保健、微型機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。目前，致動器所用刺激響應(yīng)材料主要是通過化學(xué)或物理刺激引起形變。這些刺激響應(yīng)材料在致動器和軟體機(jī)器人中的應(yīng)用主要受以下方面的限制：（1）急需可持續(xù)的、可生物降解的、豐富的聚合物作為原料；（2）靈活、精確的設(shè)計(jì)；（3）優(yōu)異的性能，如響應(yīng)快、精度高；（4）可規(guī)；a(chǎn)。因此，利用可持續(xù)和可生物降解的材料，通過靈活、精確的設(shè)計(jì)，制備具有快速響應(yīng)的致動器是亟待開發(fā)的重要方向。


  天津科技大學(xué)劉葦教授團(tuán)隊(duì)針對致動器在材料和設(shè)計(jì)方面面臨的問題進(jìn)行了研究。首先，從農(nóng)業(yè)廢棄物中制備了一種含木質(zhì)素的纖維素納米纖維（LCNF）；其次，將LCNF作為納米填料引入聚乙烯醇（PVA）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，并通過調(diào)節(jié)其在PVA膜中的含量和分布，構(gòu)建了一種具有Janus結(jié)構(gòu)的生物納米復(fù)合膜；然后，研究發(fā)現(xiàn)，該復(fù)合膜在液相中表現(xiàn)出了突出的強(qiáng)度性能、機(jī)械穩(wěn)定性、耐水性和可重復(fù)變形等性能；該復(fù)合膜在不同種類、不同濃度的鹽溶液中具有高靈敏和快速的響應(yīng)性；最后，受該復(fù)合膜對鹽的高靈敏度響應(yīng)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了流量開關(guān)和機(jī)械手，均表現(xiàn)出優(yōu)異的智能可控的性能，探索了該復(fù)合膜用于水下致動器方面的應(yīng)用潛力。在該研究中，（1）通過對LCNF在PVA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的合理調(diào)控，不僅為PVA網(wǎng)絡(luò)提供了Janus結(jié)構(gòu)，而且提高了PVA網(wǎng)絡(luò)的氫鍵強(qiáng)度，提高了強(qiáng)度性能；（2）通過堿處理誘導(dǎo)PVA結(jié)晶，增強(qiáng)了PVA網(wǎng)絡(luò)的交聯(lián)程度，形成了高密度的耐水結(jié)構(gòu)；（3）通過合理的預(yù)拉伸處理對復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步調(diào)控，引發(fā)Janus膜的刺激響應(yīng)性。這項(xiàng)研究對制備可持續(xù)和可生物降解的水下多功能制動器提供了一種新的策略。


圖1. 生物納米復(fù)合膜的制備工藝流程圖（a），結(jié)構(gòu)和變形機(jī)理（b），堿處理對復(fù)合膜的影響（c），對鹽濃度刺激響應(yīng)示意圖（d） 


圖2.（a, b）LCNF/PVA干膜和LCNF/PVA-AT干膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；（c）LCNF/PVA-AT濕膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（d）不同含水率下LCNF/PVA-AT膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；（e）與其他研究的對比；（f）LCNF/PVA-AT薄膜和PVA-AT薄膜預(yù)拉伸前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖；（g）LCNF/PVA-AT膜隨水溫變化的應(yīng)力穩(wěn)定性；（h, i）LCNF/PVA-AT濕膜的穿刺強(qiáng)度和形變恢復(fù)能力 


圖3.（a）LCNF/PVA-AT膜對鹽的刺激響應(yīng)；（b, d）LCNF/PVA-AT膜在NH4Cl溶液中的形變；（e）LCNF/PVA-AT膜在2 mol/L NH4Cl溶液中的彎曲角度；（f, g）預(yù)拉伸和LCNF含量對LCNF/PVA-AT膜形變的影響；（c, h）LCNF/PVA-AT膜在NH4Cl溶液中的循環(huán)變形；（i） LCNF/PVA-AT膜與其他研究的對比 


圖4.（a）LCNF/PVA-AT的形變能力；（b, c）LCNF/PVA-AT作為流量開關(guān)的工作過程；（d）LCNF/PVA-AT機(jī)械手的工作過程


  更多信息請參見Chemical Engineering Journal期刊論文“High performance and multifunctional Janus bio-nanocomposite film for underwater actuators with excellent sensitivity and controllability”。天津科技大學(xué)研究生任倩為該文第一作者，天津科技大學(xué)劉葦教授和侯慶喜教授為該文通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、天津市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的支持。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.141115

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