高超教授團隊將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅動系統制備中

高超教授團隊將生物材料手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅動系統制備中

近日，浙江大學的高超教授團隊提出了一種手性控制規則，成功將生物材料的手性控制理念賦予到高靈敏度溶劑驅動系統的制備中。他們從已經工業化的紡紗技術得到靈感，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的氧化石墨烯纖維，賦予其對稱的手性結構、高柔韌性和大量的應力勢能。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力勢能，從而發生高速的轉動。其輸出的轉速、扭矩以轉動能等指標均超過了之前報道的同類驅動器。團隊以這種纖維為單元，將不同手性的單元按照特定的順序進行組合，接連開發出高靈敏度的動能輸出系統、電能輸出系統和重力勢能收集系統。更重要的是，這種手性控制設計理念還能擴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”為題發表在Materials Horizons上。



自然界中的很多生物材料，如DNA、肌動蛋白、膠原蛋白、角蛋白等，是由具有螺旋型的單元細胞重復組裝而成。這種對手性單元進行多級組裝的方式，能使材料具有極佳的力學性能和環境適應性。例如，由右手性的雙螺旋球狀肌動蛋白組成的纖維狀肌動蛋白可以使肌肉在張力下保持剛性，在扭轉作用下保持彈性。由左手性的基元螺旋纖維向右手方向扭轉組裝而成的超螺旋結構，可以使膠原蛋白具有可靠的抗損傷能力和韌性。如何在微米尺度設計出類似的手性結構，并將這種結構的帶來的優良特性賦予到人工材料中仍存在著巨大的挑戰。溶致驅動器在能源收集，智能織物和軟體機器人等領域具有巨大的應用前景，它們在特定的液體刺激下能發生多種形變，從而長生驅動能力。



已經報道的溶液驅動系統仍然在一下幾個方面受到限制:（1）實用性，具有實用性的驅動系統需要具有在復雜的工作環境下工作的能力，并展示出多種驅動模式和精確的能量輸出，這一點很少得到解決。（2）可加工性，大多數業已開發的驅動系統其基元需要苛刻的加工工藝，更是需要繁雜的凈化系統來去除雜質，且生產設備的產能極低。（3）工作效率，目前報道的大多數驅動系統，其能量轉化效率都不高，這是因為沒有找到對溶劑響應快，能量輸出能力強的構筑單元。



圖文導讀



刺激響應的驅動材料一直是能源領域的研究熱點，一直以來，人們致力于如何以一種低廉的方式開發出實用性好、性能優異的驅動系統。目前，已報道的各種各樣的驅動系統，雖然能在某種刺激下發生響應，發生一定的變形。但響應較慢、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動領域的發展。解決這些問題的方法有兩個：以較低的成本制備出高性能的驅動基元克服性能不足的問題；提出一種高效合理的設計理念來梳理驅動系統的研發過程。



高超教授團隊從這兩個方面出發，提出了一套解決方法：



（1）以價格低廉的氧化石墨烯分散液做為原材料，參照工業紡紗的原理制備連續加捻的手性氧化石墨烯纖維。在加捻的同時賦予其良好的柔韌性，并在纖維內部儲存大量的應力勢能。



（2）借用天然生物材料的設計理念，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動系統，并且可以收集動能，電能和重力勢能等不同能量。



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圖1.連續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，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一方向形成螺紋狀織構。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，內部結構也很致密，呈現出極佳的力學性能。



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圖2.手性纖維的溶劑驅動性



研究者研究了手性氧化石墨烯纖維的溶劑驅動能力。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內部儲存的應力勢能得到釋放，從而發生急速的轉動。這種驅動模式是可以多次循環進行的，以它為單元構筑成雙基元的驅動系統。當兩個基元手性相同時，在溶劑的刺激下輸出同向的合扭矩，發生快速的扭轉；當兩個基元手性相反時，輸出的扭矩大小相同，方向相反合扭矩為零，體系與溶劑接觸時不發生任何轉動。在同手性體系中，其能量輸出大小可以通過控制兩個基元的間距來控制：間距越小，能量輸出越高。這就是手性控制理念的基本體現，它可以用在織物中，并在溶劑中控制織物的扭轉變形。



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圖3.高靈敏度的電能收集系統



進一步將三個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。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，纖維會帶動磁鐵發生轉動，并在銅線圈內部產生電流，這就將動能成功轉換成電能輸出。改變纖維的手性可以使系統輸出不同的動能，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系，計算所有系統的能量輸出效率，發現其效率值普遍高于50%，這比之前報道的能量轉換系統要高。



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圖4.高靈敏度的操作系統和重力勢能收集系統



這種能量收集系統在軟體機器人的領域也具有相當的應用價值。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，這種四個基元的工作系統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，啟動速度和運轉方向都可以用手性來進行精確地控制。



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圖5.基于不同材料的手性控制系統



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?；谶@些材料制備的加捻纖維，以其做為基元得到的驅動系統具有和上述系統相同的靈敏度，證明了該理念的普適性。



小結與展望



以一種合理有效的理念制備出成本低、效率高的溶劑驅動系統是一個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構賦予到溶劑驅動以通中來，解決了這個問題。該團隊針從氧化石墨烯分散液出發，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生快速驅動。以這種纖維為單元，構筑了高靈敏度的動能、電能和重力勢能的能量收集系統。進一步的，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用前景。



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



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

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