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青岛能源所利用木质素粘合策略构建纳米纤维素基柔性智能驱动器

2021-11-25 青岛生物能源与过程研究所
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  具有环境刺激响应性的柔性智能驱动器在机械、生物医药、传感器、人工肌肉和机器人等领域颇具应用潜力。中国科学院青岛生物能源与过程研究所代谢物组学研究组受到松果球鳞片湿度响应性形变现象的启发,利用木质素粘合策略,构建出新型的纳米纤维素基柔性智能驱动器。
  为了实现快速和多重刺激响应,制备柔性驱动器的典型方法是设计双层、多层或各向异性结构,以将尺寸变化转换为预期的运动以响应外部刺激。其中,二维双层异质膜具有非对称的吸湿性、导电性或光学特性,引起广泛关注。然而,传统的异质膜制备需要加入特殊界面,或进行复杂的化学反应等,制备成本较高。事实上,在自然界中,掉落的松果球的鳞片(由于其中纤维素的吸湿性和鳞片的特殊结构)会随环境湿度的变化而产生开合运动。受到这种自然现象的启发,研究可以利用纤维素来制备环境响应性柔性驱动器。而纤维素基的驱动器由于纤维素表面大量亲水基团的存在不耐水,层间结合差,更不能在潮湿环境下使用。
  在植物细胞壁中,木质素作为天然粘合剂,其疏水结构骨架(苯丙烷聚合物)赋予植物纤维管束组织良好的抗水性。受此启发,科研人员在前期建立的纳米纤维素清洁制备和应用研究的基础上(Carbohyd. Polym., 2019, 209, 130-144,入选高被引文章;ACS Sustain. Chem. Eng., 2019, 7, 1327-1336,封面文章;J. Hazard. Mater., 2020, 400, 123106),以烟杆为原料,经甲酸水解法制备出含有木质素的纤维素纳米纤丝(LCNF),而后利用LCNF分散液制备得到含有木质素的纤维素纳米纸(CNP),由于木质素的存在,所得CNP的耐水性和湿强更高【湿拉伸强度达83MPa(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 13021-13030,封底文章)】。
  在该含有木质素的CNP湿膜上再抽滤一层氧化石墨烯(GO),干燥后可制得具有GO/CNP双层结构的异质膜。由于木质素的存在和粘合作用,两层结合紧密,且具有良好的耐水性和水相稳定性。研究再将GO/CNP干膜浸渍于抗坏血酸水溶液中做还原处理,可将GO层清洁还原为还原氧化石墨烯(rGO)层,干燥后得到rGO/CNP双层结构的异质膜,该膜同样具有较好的耐水性和水相稳定性,且CNP层中适量羟基的吸、失水引起的CNP层的润胀和收缩,可赋予该异质膜的记忆性形变特性(类似松果球的鳞片随环境湿度变化的开合运动)。同时,由于rGO层具有较好的光热转换效应和焦耳热效应,使该异质膜兼具有很好的近红外光响应性和电驱动性,其电驱动响应速度可达1.875°/s/V,是文献报道的具有同等重量的同类碳/聚合物基柔性驱动器电驱动响应速度的最高值。此外,该异质膜设计制备简单,层间不需要加入任何助剂,易于大面积制备,克服了常规异质膜层间结合弱的问题,具有优异的使用耐久性和循环使用性(耐折度>1000次,湿度稳定,耐久电驱动性>500个循环),在驱动器和智能器件的开发领域颇有应用前景。
  该研究利用木质素的界面粘合作用来组装多重刺激响应性异质膜的策略,可为新型智能柔性驱动器的设计和构建提供重要借鉴,且木质纤维原料的有效利用更符合人类社会的可持续发展。相关研究成果发表在Chemical Engineering Journal上。研究工作得到国家自然科学基金、山东省自然科学杰出青年基金和青岛能源所自主部署基金等的支持。  
  论文链接   
青岛能源所利用木质素粘合策略构建纳米纤维素基柔性智能驱动器
打印 责任编辑:侯茜

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